计算机操作系统(第四版) 汤小丹第一章笔记
计算机操作系统(第四版) 汤小丹第一章笔记
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操作系统引论
操作系统的目标
方便性
有效性
可扩充性
开放性
计算机操作系统的作用
OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
OS作为计算机系统资源的管理者
OS实现了对计算机资源的抽象
是合理组织计算机的工作流程有效控制和管理计算机系统的各类资源，并方便用户使用计算机的程序集合
OS是用户和计算机的接口
OS是最重要的系统软件
OS的五大管理功能
处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理
用户接口
例：打开一个WORD处理程序，OS需要做什么
* 系统需要为WORD处理程序进行存储资源的分配=》进程的管理=》将结果输出到外部设备操作系统的发展过程
未配置操作系统的计算机系统
人工操作方式
* 缺点：①用户独占全机 ②CPU等待人工操作脱机输入/输出方式
* 优点：①减少CPU的空闲时间 ②提高I/O速度批处理系统
单道批处理系统
单道批处理系统的处理过程
先把一批作业以脱机的方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序
虽然系统对作业的处理是成批进行的，单在内存中始终至保持一道作业，故称为单道批处理系统
单道批处理的流程
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单道批处理系统的缺点
CPU和I/O设备的使用忙闲不均。因为内存中仅存在一道程序，每次发出I/O请求后，CPU处于空闲。CPU在执行时，I/O处于空闲。计算机资源得不到充分利用
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5ghU8XnZ-1648469495535)(C:\Users\18752\AppData\Roaming\marktext\images\2022-03-26-11-32-25-image.png)]
由于是单道程序的环境下，造成内存的浪费
多道批处理系统
目的：为了进一步提高资源的利用率和系统的吞吐量
优缺点
* ①资源利用率高 ②系统吞吐量大 ③平均周转时间长 ④无交互能力多道批处理系统需要解决的问题
处理机争用问题
内存分配和保护问题
I/O设备分配问题
文件的组织和管理问题
作业管理问题
用户与系统的接口问题
分时系统
目的：①为了满足用户对人—机交互的需求 ②在批处理系统中，用户不能干预自己的程序运行，无法得知程序运行情况，对程序的调试和排错不利
Unix是目前使用最广泛的分时操作系统，CTSS是最早的分时操作系统
表现
人—机交互
共享主机
便于用户上机调试
特征
多路性 ：提高系统资源利用率，节省了开支
独立性 ：每个用户独占一个终端，彼此独立操作，互补干扰，感觉好像自己一人独占主机一样
及时性 ：终端用户的请求能在很短的时间内获得响应，通常为1～3秒
交互性 ：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话
分时原理：将处理机的运行时间分为时间片，将时间片轮流分配给各联机作业使用，其方法是设立一个时间分享单位—时间片 。他是系统规定进程一次使用处理机的最长时间。时间片的长短可以因不同系统而异
实现思想:每个用户在各自的终端上以问答方式控制程序运行，系统把中央处理器的时间划分成时间片，轮流给各个联机终端用户，每个用户只能在极短时间内执行，若时间片用完，而程序还未做完，则挂起等待下次分得时间片
实时操作系统
目的：指系统能够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，并控制所有实时任务协调一致的运行
实时系统的类型
实时控制系统和实时信息处理系统
实时信息处理系统包括(信息查询系统和事务处理系统)
工业控制系统 ：导弹制导系统，飞机自动驾驶系统
信息查询系统 ：飞机订票系统
多媒体系统
嵌入式系统
特征：
稍弱的交互性
实时性 ：对系统的及时要求高，常以控制对象所能接受的延迟事件来确定
可靠性 ：采用多级容错措施，保证系统的安全可靠
多路性
独立性
微机操作系统的发展
单用户单任务操作系统
* 在同一时间段内仅为一个用户提供服务 最简单的微机操作系统，代表：CP/M、MS-DOS等单用户多任务操作系统
* 只允许一个用户上机，但允许一个用户程序分为若干任务，使他们并发执行多用户多任务操作系统
* 允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使他们能够并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量网络操作系统
将地理上分散的自主计算机通过通信系统的线路互联而成计算机网络 *
网络操作系统是在通常的操作系统的基础功能上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享，提供网络用户所需各种服务软件和相关规程的集合
三大阵营：UNIX、Windows NT、Netware等
分布式操作系统
集中式操作系统
* 以往的计算机系统中，其处理和控制功能都高度集中在一台计算机上，所有的任务都由他完成分布式操作系统
指多台分散的计算机，经互联网络连接而成的系统，每台计算机高度自治，又相互协同，能在系统范围内实现资源管理，任务分配，能并行运行分布式程序
主要优缺点
优点：性价比高、可靠性高、可拓展性强、适合分布式的应用等
缺点：需要复杂的软件，存在潜在的通信瓶颈，数据安全性较弱等。
操作系统的特征
并发性
并发与并行
并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
并行：是指两个或多个事件在同一时刻发生
引入进程
在未引入进程的系统中，在属于同一个应用程序的计算机程序和I/O程序之间是顺序执行，即只有在计算程序执行告一段落后，才允许I/O程序执行；反之，在程序执行后，这两个进程便可并发执行，这样便能极大的提高计算机系统资源的利用率，增加系统的吞吐量
所谓进程，是指在系统中能够独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息
单处理机系统采用多道程序技术后，可以实现硬件之间的并行操作和程序之间的并发执行
两道程序分别在两个处理机(多CPU)或两套处理部件中独立运行，可以实现并行。并发程序要达到”在同一时间间隔内进行“，也需要相应的硬件和软件支持。例如：两道程序分别在一个处理机或一套处理部件上运行，由于每个时刻仅能执行一套程序，所以微观上这两道程序是交替和顺序执行的，但从宏观上看，在一段时间间隔内这两道程序同时运行 。所以并发和并行需要多道程序技术的支持
多道程序并发执行的示意图
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共享性
共享：是指计算机系统中的各种硬件、软件资源都可以为多个用户同时使用
共享可分为互斥共享 和同时共享 两种方式
互斥共享方式：也称顺序共享，指系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问该资源
同时共享方式：又叫并发共享，指在一段时间内，多个程序可以同时使用系统中的某个资源，这里的"同时”是个宏观概念，微观上，这多个进程是交替使用该资源
并发与共享是现代操作系统的两个最基本特征，他们之间是相辅相成的。一方面资源共享以程序(进程)并发执行为条件的，另一方面，程序并发执行以资源共享为基础
并发和共享是多用户OS的两个最基本的特征
临界资源或独占资源：一段时间内只允许一个进程访问的资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所使用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥的共享
虚拟性
在操作系统中所谓的虚拟：是通过某种技术物理上的一个实体映射为逻辑上的多个对应物 。前者是实际存在的，后者是虚的，是感觉性的存在。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。
时分复用技术(分时使用方式)
虚拟处理机技术：在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的 *
虚拟设备技术：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一个逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源)，变为一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备
在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法 。显然，如果n是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的\frac{1}{n}
空分复用技术
虚拟磁盘技术：将硬盘划分为若干个卷，机器上便会有若干个虚拟盘
虚拟存储器技术：将一台计算机的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量
异步性
* 所谓异步是指**内存中多个进程都按照各自独立的、不可预知的速度向前推** 进。这是由于它们共享资源、并发执行的缘故，此即为**进程的异步性** 。尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果。操作系统的主要功能
1. 处理机管理功能
* 进程控制进程同步
进程通信
调度
2. 存储器管理功能
内存分配
静态分配
动态分配
内存保护
地址映射
内存扩充
3. 设备管理功能
缓冲管理
设备分配
设备处理
4. 文件管理功能
文件存储空间的管理
目录管理
文件的读写管理和保护
5. 操作系统与用户之间的接口
用户接口
程序接口
6. 现代操作系统的新功能
系统安全
网络的功能和服务
支持多媒体
OS结构设计
传统的操作系统结构
无结构操作系统
* 早期开发操作系统时，设计者只是把注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想，有人把它称为整体系统结构模块化OS结构
该技术是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度。为了使OS具有较清晰的结构，OS不再是由众多的过程直接构成，而是将OS按其功能精心地划分成为若干个具有一定独立性和大小的模块，每个模块具有某方面的管理功能，如进程管理模块、存储器管理模块等，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过该接口实现交互，然后再进一步将各模块细分为若干各具有一定管理功能的子模块
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZKsIXYkQ-1648469495536)(C:\Users\18752\AppData\Roaming\marktext\images\2022-03-26-14-40-20-image.png)]
模块化结构的优缺点
优点：
提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性
增强OS的适应性
加速OS的开发过程
缺点：
在设计OS时，对模块的划分及对接口的规定并不精确，还可能存在错误，因此很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确，这将使在把这些模块装配成OS时发生困难
从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；由于管理上的差异，又会使模块间存在着复杂的依赖关系使OS结构变得不清晰
分层次结构OS
为了将模块—接口法中“决定顺序”的无序性变为有序性，引入了有序分层法。分层法的设计任务是，在目标系统A^n 和裸机系统A^0之间，铺设若干层次的软件，使A^n通过若干层次，最终能在A^0上运行。在操作系统中，常采用自底向上法来铺设这些中间层
层次的设置
程序嵌套
运行频率
公用模块
用户接口
优点：
易保证系统的正确性
易拓充
易维护
缺点：
* 系统效率低客户/服务器模式 *
基本概念
为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS划分为两部分
一部分是用于提供各种服务的一组服务器(进程)，所有这些服务器(进程)都运行在用户态。
另一部分是内核，用来处理客户和服务器之间的通信
优点
提高了系统的灵活性和可扩充性
提高OS的可靠性
可运行于分布式系统中
微内核技术
基本概念
为了提高操作系统的正确"正确性"、“灵活性”、"易维护性"和”可扩充性“，在现代操作系统结构设计时，即使在单处理机环境下，大多也采用基于客户服务器模式的微内核结构，将操作系统划分为两大部分：微内核和多个服务器 。
四个特征
足够小的内核
* 在微内核操作系统中，内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本的核心功能的部分。微内核并非是一个完整的OS，而只是操作系统中最基础的部分，它通常用于：①实现与硬件紧密相关的处理 ②实现一些较基本的功能 ③负责客户和服务器之间的通信基于客户机/服务器模式
由于客户/服务器模式具有非常多的优点，故在单机微内核操作系统中无一例外地都采用客户/服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核 ，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现 。例如 用于提供对进程进行管理的进程服务器，提供虚拟存储器管理功能的虚拟存储器服务器，提供I/O设备管理的I/O设备管理服务器等，他们都是被做为进程来实现的，运行在用户态，客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制来实现信息交互的 。下图表示在单机环境下的客户/服务器模式
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ic15nYiN-1648469495536)(C:\Users\18752\AppData\Roaming\marktext\images\2022-03-26-15-26-05-image.png)]
应用”机制与策略分离“原理
* 在现代操作系统的结构设计中，经常利用”机制与策略分离“的原理来构造OS结构。所谓**机制** ，**是指实现某一功能的具体执行机构** 。而**策略** ，则是在机制的基础上，借助于某些参数和算法实现的该功能的优化，或达到不同的功能目标。通常，**机制处于一个系统的基层，而策略放在内核的较高层次中** 。而在微内核操作系统中，通常将机制放在OS的微内核中。正因为如此，才有可能将内核做的很小采用面向对象技术
微内核的基本功能
进程管理
存储器管理
进程通信管理
I/O设备管理
微内核的优点
提高了系统的可拓展性
增强了系统的可靠性
提高了系统的可移植性
提供了对分布式系统的支持
融入了面向对象技术
微内核的缺点
* 系统运行效率有所降低第一章习题
以下给出的操作系统中交互性最强的是©
A.批处理系统 B.实时系统
C.分时系统 D.网络操作系统
OS的主要功能是管理计算机系统中的(D)
A.程序 B.数据 C.文件 D.资源
下列作业类型中，适合在分时系统中运行的有(A)和©；适合在批处理系统中运行的有(B)和(D)
A.学习编程 B.数据 C.发送电子邮件 D.整理磁盘
以下(B)不是设计实时OS主要的追求目标
A.安全可靠 B.资源利用率 C.及时响应 D.快速处理
下列选择中，(D)不是操作系统关心的主要问题
A.管理计算机裸机
B.设计、提供用户程序与计算机硬件系统的界面
C.管理计算机系统资源
D.高级程序设计语言的编译器
下面哪个资源不是操作系统应该管理的(D)
A.CPU B.内存 C.外存 D.源程序
判断：多道程序技术的实现需要多处理机支持 (错)
多道程序技术能提高CPU的使用效率，这是因为发挥了(CPU)与(I/O设备)之间的并行工作能力
操作系统的基本类型主要有 分时操作系统 批处理操作系统 实时操作系统
虽然不同的操作系统具有各自的特点，但它们都具有以下4个基本特征 并发 共享 虚拟 异步
简述并发和并行的区别；分时和实时的区别
并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
并行：是指两个或多个事件在同一时刻发生
分时系统是指在一个系统中多个用户分时地使用同一台计算机； 实时系统是指计算机及时响应外部事件地请求并在规定时限内完成对该事件地处理，控制所有实时外设和实时任务协调一致地运行。
实时系统和分时系统的主要区别有两点：（1）分时系统的目标是提供一种通用性很强的系统，有较强的交互能力；而实时系统则大都是具有特殊用途的专用系统，交互能力略差。（2）分时系统对响应时间虽有要求，但一般来说，响应时间由人所能承受的等待时间来确定；而实时系统对响应时间要求很高，一般由控制系统或信息处理磁头所能接受的延迟时间来决定
名词解释：操作系统
* 合理组织计算机的工作流程，有效控制和管理计算机系统的各类资源，并方便用户使用计算机的程序集合 的操作系统具有各自的特点，但它们都具有以下4个基本特征 并发 共享 虚拟 异步
简述并发和并行的区别；分时和实时的区别
并发：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
并行：是指两个或多个事件在同一时刻发生
分时系统是指在一个系统中多个用户分时地使用同一台计算机； 实时系统是指计算机及时响应外部事件地请求并在规定时限内完成对该事件地处理，控制所有实时外设和实时任务协调一致地运行。
实时系统和分时系统的主要区别有两点：（1）分时系统的目标是提供一种通用性很强的系统，有较强的交互能力；而实时系统则大都是具有特殊用途的专用系统，交互能力略差。（2）分时系统对响应时间虽有要求，但一般来说，响应时间由人所能承受的等待时间来确定；而实时系统对响应时间要求很高，一般由控制系统或信息处理磁头所能接受的延迟时间来决定
名词解释：操作系统
* 合理组织计算机的工作流程，有效控制和管理计算机系统的各类资源，并方便用户使用计算机的程序集合