OS学习-OS引论

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OS学习—引论

一、目标和作用

(一)、什么是操作系统

​ 操作系统(OS)是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充；它负责管理好软硬件的资源分配、调度，控制协调多个任务的活动，实现信息的存取和保护。提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。

(二)、操作系统目标

​ 重点记住一二点：

1. 方便性

   配置OS之后极大方便用户的操作，使计算机更容易使用

2. 有效性

   改善资源利用率、提高吞吐量

3. 可扩充性

   OS采取层次化结构，近来OS都广泛采用微内核结构，微内核方便添加新的功能和模块，以及对原有的功能进行修改

4. 开放性

   遵循世界标准规范，实现软硬件兼容，方便实现互连

(三)、操作系统的作用

1. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

   用户使用计算机，通过命令方式、系统调用方式、图形窗口方式实现与操作系统的通信。

2. 作为系统资源的管理者

   四类资源：处理机、存储器、I/O设备、文件；OS功能：分配和控制处理机；内存分配；I/O设备的分配回收和操作；实现对文件的存取、共享和保护。

3. 实现对计算机资源的抽象(作为扩充机器)

   把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器，OS包含了若干个层次，因此在裸机上覆盖OS后，便可获得一台功能显著增强，使用极为方便的多层扩充机器或多层虚机器

二、发展过程

(一)、人工操作方式(无操作系统)

缺点: 用户独占全机，造成资源浪费；CPU空闲，I/O设备的慢速与CPU的速度不匹配造成的CPU空闲等待时间，严重降低了计算机资源的利用率。

(二)、脱机I/O方式

脱离主机的情况下输入输出程序和数据

联机输入/输出（On－Line I/O）方式 ：在主机的直接控制下输入输出程序和数据

优点：减少了CPU空闲时间，提高了I/O速度

(三)、单道批处理系统

特点：

1. 作业（步）间不需要人的干预；
2. 监控程序常驻内存，开机后第一个进入内存，直到关机一直驻留在内存中；
3. 专职操作员，程序员不在现场；
4. 单道；监控程序只为一个计算机系统设计；
5. 开发过程可以使用FORTRAN等高级语言，程序的最后一条指令需是返回到监控程序。

优缺点：

1. 解决人机矛盾
2. 解决CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾
3. 系统运行效率提高
4. 系统资源得不到充分的利用，会造成CPU空闲
5. 人机交互力不强

(四)、多道批处理系统

多道程序设计技术：在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。

宏观上并行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序不同程度地向前推进。

微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU 。

优缺点：

1. 资源利用率高 资源指CPU及设备。

2. 系统吞吐量大

   系统吞吐量指系统在单位时间完成的总工作量。

3. 平均周转时间长

   作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。

4. 无交互能力

(五)、分时系统

​ 分时系统是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。

​ 实现人机交互是即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。

​ 及时接收(多路卡和缓冲区)

​ 及时处理(作业直接进内存，采用轮转运行方式，不允许一个作业长期占用处理机)

特征:

1. 多路性：允许同一主机联接多台终端。
2. 独立性：每一用户各占一个终端。
3. 及时性：用户请求能及时响应。
4. 交互性：可进行广泛的人机对话。

(六)、实时系统

​ 指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

1. 按实时任务是否呈现周期性分：

   1. 周期性实时任务

   2. 非周期性实时任务

      1. 开始截止时间

      2. 完成截止时间

2. 按对截止时间的要求分：
   
   1. 硬实时任务
   2. 软实时任务

实时系统的特征：

1. 多路性
2. 独立性
3. 及时性（开始截止时间/完成截止时间）
4. 交互性（限定专用服务程序）
5. 可靠性（多级容错措施）

单道批处理系统主要是解决人机矛盾和CPU与I/O设备速度不匹配的毛寸，用于提高系统资源利用率和系统吞吐量。

多道批处理系统主要是为了提高系统资源利用率和系统吞吐量。

分时系统满足用户对人—-机交互的需求，人机交互，共享主机。

实时系统：系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对事件的处理，并控制所有史诗任务协调一致的运行。

三、基本特征

四大特性：共享、并发、虚拟、异步

(一)、并发

1. 区分下并发、并行、串行的概念

   并发：指在内存中放多道作业，在一个时间段上看，每一道作业都能不同程度地向前推进。但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。两个或多个作业在同一时间段运行。

   并行：两个或多个作业在同一个时间点运行。

   串行：内存中只有一道作业，只有它完成了，才能有别的作业进入内存。

   ​

2. 进程

   程序实际上不是并发执行的，我们需要为程序创建进程，才能并发执行。

作用：提高资源利用率和系统吞吐量。

(二)、共享

​ 共享是指系统中的资源课共多个并发的进程共同使用。

两种资源共享方式：

1. 互斥共享方式

   在一段时间内仅允许一个进程访问资源(把这种资源成为临界资源/独占资源)

2. 同时访问方式

   一段时间内允许多个进程访问，但微观交替使用。

注意：共享和并发是多用户os的两个最基本的条件，它们互相依存，互为条件。

(三)、虚拟——–提高资源利用率

​ 通过某种技术将一个物理实体映射为若干个逻辑上对应物。

两种技术：

1. 时分复用技术

   利用某设备为一进程服务的空闲时间，去服务其它进程。

2. 空分复用技术

   对存储空间的管理，利用存储器的空闲空间分区存放和运行其它的多道程序

(四)、异步

进程以不可预知的运行速度向前推进。现代操作系统中，多个进程并发执行，“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢。难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）。

四、主要功能

(一)、处理机管理

1. 进程控制

   为作业创建进程、撤销(终止)已结束的进程、实现进程在运行过程中的状态切换。

   目的：保证程序并发执行

2. 进程同步

   目的：协调多个进程的运行

   协调方式：

   1. 进程互斥方式

      进程访问临界资源/锁

   2. 进程同步方式

      进程相互合作/顺序

3. 进程通信

   目的：用于相互合作的进程之间的信息交换和传递

   ​

4. 调度

   1. 作业调度

      从后备队列中按照一定算法，选择出若干个作业，为他们分配必需的资源，建立进程，并按一定算法将他们插入就绪队列。

   2. 进程调度

      从就绪队列中选一道进程，为他分配处理机，设置运行现场，以使其运行。

(二)、存储器管理

1. 内存分配

   任务：

   1. 为每道作业分配内存空间
   2. 提高存储器的利用率，提高内存利用率，减少不可用的内存空间
   3. 允许正在执行的进程动态申请附加内存

   两种分配：

   1. 静态分配
   2. 动态分配

   需要具有的功能和结构：

   1. 内存分配数据结构
   2. 分配算法
   3. 内存回收

2. 地址映射

   地址空间的逻辑地址转换为内存空间的物理地址的过程

3. 存储保护

   任务：

   1. 确保多道程序间仅在自己的内存空间运行，互不干扰

   2. 不允许用户程序访问操作系统或者其他程序的数据，

      ​

   简单的内存保护机制：界限寄存器，存放执行程序的上下界，程序执行的时候，检查界限，如果越界，发出越界中断，停止该程序执行。

   ​

4. 存储扩充

   目的：借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，改善系统性能，满足用户需求。也就是用辅存扩充主存，实现虚拟存储器。

   实现方法：

   1. 请求调入功能

      允许装入一部分程序和数据就可以运行，运行时，若发现继续运行所需的程序和数据不在内存，再向OS发出请求，将其调入。

   2. 置换功能

      将内存中暂时用不到的或者不用的程序或数据调至硬盘上，将我们所需的数据或程序装入内存。

(三)、设备管理

主要任务：

1. 完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配相应的I/O设备，和完成I/O操作
2. 提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备

应具有的功能：

1. 设备分配

   根据用户进程的I/O请求和系统现有的资源情况按照某种设备分配策略，为进程分配所需的设备。可能还需要分配设备控制器和I/O通道。

2. 设备驱动

   为设备提供驱动程序，以实现CPU和设备控制器之间的通信。

   两种：

   1. 接收发出的I/O命令
   2. 响应中断请求

3. 缓冲管理

   为设备提供缓冲区以缓和CPU同设备的I/O速度不匹配的矛盾。

   缓冲机制———–单缓冲区、双缓冲区、循环缓冲区、公共缓冲池  

4. 设备独立性和虚拟设备

(四)、文件系统管理

三个功能：

1. 文件存储空间管理

   为每个文件分配必要的外存空间、提高外存利用率、有助于提高文件系统的运行速度。

   需具备的对存储空间进行分配和回收的功能

2. 目录管理

   建立目录项，组成目录文件，按名存取，方便用户找到他所需的文件；

   多级目录管理还允许重名； 

   可以实现文件共享。

3. 文件的读写管理和存取控制

   防止文件被非法使用。

(五)、用户接口

1. 命令接口

   分联机用户接口与脱机用户接口；

   为了便于用户直接或间接地控制自己的作业。

2. 程序接口

   为用户程序在执行中访问系统资源而设置的。由一组系统调用组成。     

3. 图形接口

   通过图形界面来方便用户的操作

五、杂项

1. 传统的操作系统结构分为无结构OS、模块化结构OS、分层式结构OS

   1. 无结构OS——-基于功能实现和高效率。

   2. 模块化结构OS—-控制软件的复杂度

      模块独立性：划分和规定好木块之间的接口，我们需要良好的分配模块的大小

      衡量模块独立性的标准：

      1. 内聚性：模块内部个部分件联系的紧密程度，内聚性越高，独立性越强
      2. 耦合度：模块间相互联系和相互影响的程度，耦合度越低，独立性越强。

      模块化结构OS的优缺点：

      1. 优点
         
         1. 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性
         2. 增强了OS的可适应性
         3. 加速OS的开发过程
      2. 缺点
         
         1. 设计师对模块划分与接口的规定不精确
         2. 模块化见存在复杂依赖关系

   3. 分层式结构OS—每一层仅使用其底层所提供的功能和服务

      设计需考虑的因素：

      1. 程序嵌套
      2. 运行频率
      3. 公共模块
      4. 用户接口

      优缺点：易于保证系统的可靠性、易扩充和易维护；系统效率低下。

2. 现代化的微内核OS结构

   精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般OS不同，更小更精练，运行于核心态、开机后常驻内存。

   基本特征：

   1. 以微内核为OS核心
   2. 以客户/服务器为基础
   3. 采用面向对象的程序设计方法

(七)、习题

1. 推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？

答：提高资源利用率和系统吞吐量。

2. 什么是脱机I/O和联机I/O？

答：脱机I/O是指输入输出不受主机的直接控制(使用外围机，在外围机上输入输出)，联机是指在主机的直接控制下进行输入和输出

3. 操作系统的作用

答：作为用户和计算机硬件系统之间的接口、作为计算机系统资源的管理者、实现对计算机资源的抽象

4. 操作系统的基本特征

答：共享、并发、异步、虚拟

5. 微内核OS的优点和为什么有这样的优点？

答：优点–提高系统可扩展性、增强系统可靠性、可移植性强、提供对分布式系统的支持、融入了面对对象技术。

原因：微内核OS是建立在模块化、层次化结构的基础上，采用了客户/服务器模式和面对对象的程序设计技术