操作系统--第一章--计算机系统概述
1.1_1_操作系统的概念（定义）功能和目标
概念：什么是操作系统？
功能和目标：操作系统要做什么？
概念（定义）
系统管理软件（System Management Software, SMS）负责管理和协调计算机系统的各个方面，并有效地利用各种硬件设施与软件组件。
并合理规划调度计算机的工作流程与资源配置，并且为用户提供便捷的接口以及友好的工作环境。
它是计算机系统中最基本的系统软件。
- 操作系统作为系统资源的主要管理机构。
- 向面上的操作系统为用户提供友好可用的服务。
- 系统操作层面最为贴近硬件的是底层软件。
功能和目标
功能
资源的管理者
- 处理机管理
- 存储器管理
- 文件管理
- 设备管理
向上层提供方便易用的服务
图形化用户接口（Graphical User Interface） GUI：
用户能够通过直观的可视化界面进行操作，并无需掌握繁琐的指令
在 Windows 操作系统中进行文件删除操作时,只需将文件进行拖放操作至回收站区域即可完成任务.
联机命令接口实例（Windows系统） 联机命令接口=交互式命令接口
特点：用户说一句，系统跟着做一句。
脱机命令接口实例（Windows系统） 脱机命令接口=批处理命令接口
特点：用户说一堆，系统跟着做一堆。
该系统提供了一系列功能模块可以通过API进行交互操作，在开发过程中建议遵循标准化流程以确保数据安全与一致性管理；普通用户由于缺乏专业技能和技术储备，在实际操作中往往难以独立完成复杂任务
只能通过程序代码间接使用。
系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。
目标
在计算机系统上配置OS，其主要目标是实现：
（1）便捷性。系统本身便能为计算机系统带来更加直观的操作体验。
（2）高效性。通过提升资源利用效率以及增强处理能力的操作设计优化，在实际应用中展现出显著优势。
（3）扩展性良好。
（4）开放度高。系统本身具备良好的开放特性以供其他程序或设备接入共享资源。
操作系统作为最接近硬件的层次
需要实现对硬件机器的拓展
无软件支持的计算机被称为裸机。在裸机上安装的操作系统能够在其上实施资源管理功能，并为用户提供便捷的服务。
通过对其进行全面升级优化处理,能够使裸机的功能得到显著增强和提升。一般认为,在覆盖了软件系统的设备上增加额外资源以提高性能的技术被称为扩充技术。而将其统称为虚拟化技术
操作系统实现了对计算机资源的抽象
操作系统的组织者.他主要负责协调多个作业之间的切换,以优化其运行效率,从而显著提升整体效能.
1.1_2_操作系统的特征
并发
共享
并发和共享是操作系统最基本的特征，二者互为存在条件。
虚拟
异步
并发
指的是两个或多个事件在相同的时间段内发生。这些事件从宏观角度看是同时发生的，在微观层面则是交替进行的。
混淆——并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。
操作系统的并发性主要体现在允许多个应用程序并行执行的能力上，在现代计算机系统中这一特性被广泛利用以提高资源利用率和系统性能；而在底层实现时通常采用轮转方式对资源进行分配以保证各任务公平共享计算资源
操作系统的出现是由'多道程序技术'而产生的。因而,操作系统的诞生与程序并发是一体化的。
注意 （重要考点）：
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行。
多核CPU同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行执行。
共享
即定义为，在内存中多个并发执行的进程中共同使用的系统中的资源称为资源共享机制
两种共享方式
互斥共享
系统中的某些资源尽管可以被多个进程调用但在同一时间段内仅限于单个进程能够访问该资源
同时共享方式
系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对他们进行访问。
所指的"同时"通常是宏观层面的概念，在微观层面来看的话则是这些进程轮流使用该资源的方式（即分时共享）
生活实例：
互斥共享机制：该方案采用QQ和微信视频平台进行视频分享。在同一个时间段内，摄像头只能被分配给一个进程以避免冲突。
一种共享方案：通过QQ传输文件A，并通过微信传输文件B。从宏观角度观察到的情况表明，在两种应用工具之间都进行了同步操作，并且在这些操作中获取数据。从微观角度来看，在同一个存储设备上轮流执行操作的主要目的是确保数据的一致性。
并发和共享的关系
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
如果失去了对并行性的支持，则整个系统仅有一个程序处于运行状态，则系统的共享特性不再具备任何实际意义。
共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
如果共享性被丧失，则QQ与微信将无法同时访问硬盘资源而导致同步使用这些硬盘资源变得不可能；这将使得同步文件传输变得不可行；而所有操作都将无法并行进行
并发和共享是操作系统最基本的特征， 二者互为存在条件。
虚拟
表示为若干个虚拟单元。其中物理实体（前者）是真实存在的，在抽象层次上构建出对应的虚拟单元。
对应物（后者）是用户感受到的。
“时分复用技术”
微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。
“空分复用技术”
利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他躲多道程序。
显然地, 如果一个系统不再具备并行执行的能力, 则在一个时间段内它仅需执行单一过程, 也就失去了实现虚拟功能的实际价值.
因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。
异步
在多线程环境中指的是允许多个进程同时运行然而由于资源限制这些进程并非总是持续到终点
而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
当多个程序并发运行时会抢占系统资源，这使得因为系统内的资源数量有限而导致进程无法持续稳定地运行。
而采取的是间歇性的、非确定速度的发展方式。如果系统失去了并行执行的能力，则无法同时处理多个任务。
任何单个程序一旦被启动都会持续运行直至完成任务。仅当系统具备 concurrent processing capability 时才可能出现 asynchronous behavior.
1.1_3_操作系统的发展与分类
OS的发展与分类
手工操作阶段
批处理阶段
单道批处理系统
采用脱机输入/输出技术（借助外围设备及磁带介质实现），其中监督程序对作业的输入与输出实施了严格管控
主要优点：缓解了一定 程度的人机速度矛盾， 资源利用率有所提升。
主要缺点：内存仅允许单一程序占用，在当前程序完成之前无法切换至下一程序。中央处理器处于闲置状态。
是在空闲等待I/O完成。资源利用率低，资源得不到充分利用。
多道批处理系统 （操作系统开始出现）
主要优点：通过多步作业同时并行运行来充分利用计算资源，并充分地利用计算资源以提高系统的整体效率和性能；系统的处理能力显著提升，并且能够有效提高计算资源的使用效率以及整体系统的响应速度
主要弊端：平均运行周期较长，并不支持人机交互功能（学生提交作业后需等待计算机处理完毕）
不能控制自己的作业执行。）
eg：无法调试程序/无法在程序运行过 程中输入一些参数
分时操作系统
分时操作系统是由连接到一台主机上的多个配有显示器和键盘的终端设备共同构成的。该分时操作系统允许多个用户同时使用电子设备。
通过自己的终端以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。
计算机采用时隙轮转的方式依次为不同用户提供服务。各用户均可通过键盘、显示器等设备与计算机交互。
主要优点：用户的请求能够立即处理，并有效改善了人机交互体验。该系统支持多用户共享一台计算机，并实现了多用户共享功能。
户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。
主要缺陷：系统无法给予紧急任务以优先权。该操作系统的资源分配机制对于所有用户及作业均实施等额对待，在资源调度方面采用轮转调度策略以确保公平性
作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。
实时操作系统
实时操作系统被定义为能够迅速响应外部事件请求的系统。该系统能够在规定时间内完成事件处理工作，并确保所有任务协调一致地运行。
主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。
在实时操作平台中，计算机系统能够迅速响应外部输入，并能在限定时间内完成事件处理。
时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。
硬实时系统
必须在绝对严格的规定时间内完成处理。
软实时系统
能接受偶尔违反时间规定。
网络操作系统
伴随着计算机网络的发展而产生的是一个全新的概念；它能够将网络中的各个计算机有机地联系起来，并实现数据传输等功能；其最终目标是完成网络功能。
资源共享（例如文件共享）和计算机间的通信。Windows NT 实际上是一种广为人知的网络操作系统，在线服务
器就可以使用）
分布式操作系统
核心特性包括分布式运行和并行处理。所有计算机处于等同的地位，在这些系统中任何任务均可展开，并通过协同作业实现任务的全面处理。
个人计算机操作系统
如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。
1.1_4_操作系统的运行机制
两种指令
特权指令
操作系统内核充当负责管理的实体，在某些情况下会引导CPU运行特定的操作。例如包括内存清除操作。
这些指令发挥重要作用，并非所有用户均可访问；仅限于具有管理权限的用户角色（即系统核心）
非特权指令
应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等
两种处理器状态
- 内核态(核心态)
- 用户态
两种程序
内核程序
由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核（Kernel）”
内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
应用程序
我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
内核态 v.s. 用户态
CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”
当系统运行于内核态（管态）时，则表明当前正在执行的进程属于内核程序，并具备执行特权指令的能力。
当系统处于user mode时，在此状态下正在进行的应用程序仅能执行非特权指令。
早在设计与生产阶段就完成了对特权指令与非特权指令的分类工作，在执行每条指令之前就可以立即识别出该指令的类型。
内核态、用户态 的切换
从内核态切换到用户态的过程中
从用户态过渡至内核态的过程中，默认情况下由'中断'引发。硬件系统会自动完成异常处理流程，并立即剥夺CPU执行权（除非有非法越界调用特权指令）。括号内的补充说明指出：除了非法越界调用特权指令外，在涉及系统层面的操作都需要时也会触发生态。
1.1_5_中断和异常
中断的作用
- CPU上运行着两类程序：一类是系统内核服务程序、另一类则是应用软件。
- 系统内核会在适当的时候将 CPU 使用权主动释放给应用软件（有关第二章进程管理内容可参阅）。
- 当发生中断事件时，则成为系统内核夺回 CPU 使用权限的唯一途径。
- 若无‘中断’机制，在任何情况下一旦将 CPU 分配给某一应用程序，则该应用将在其生命周期持续占用该 CPU 资源。
中断的类型
内中断 （也称 异常 、例外）
与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。
陷阱、陷入（trap）
由陷入指令引发，是应用程序故意引发的。
故障（fault）
由于错误条件的存在可能导致相关问题被内核程序修复，在故障得到修复后内核程序将恢复CPU权限并重新分配给应用程序使其能够继续正常运行
下去。如：缺页故障。
终止（abort）
由于致命错误导致内核程序无法修复故障源代码所引发的问题。通常不会将CPU权限重新分配给导致应用程序崩溃的进程，而是直接终止。
该应用程序。如：整数除0、非法使用特权指令。
外终断 （也称’'中断“）
与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。
中断的基本原理
不同类型的中断信号需要各自专用的特定的中断处理程序来执行相应的操作。每当CPU接收到来自系统或外部设备的中断请求时，都会通过访问'中断向量表'来确定如何响应每种类型的信息。
以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
1.1_6_系统调用
什么是系统调用，有何作用？
知识点回顾：
操作系统的角色在连接用户与计算机硬件之间起到中介作用，并需向其上层用户提供一系列易于使用的服务功能。主要负责处理包括接收与处理相关操作指令在内的各种任务流程。
口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
"程序接口称为操作系统提供的给程序或开发者使用的功能入口。这种程序接口等价于一种特定功能入口。程序或开发者可以通过该接口访问并获取操作系统内核提供的各种服务。"
系统调用与库函数的区别
- 不涉及系统调用的库函数：例如'取绝对值'这个函数。
- 涉及系统调用的库函数：例如'创建一个新文件'这个函数。
什么功能要用到系统调用？
应用程序向操作系统的内核发出系统调用指令以获取所需服务。然而这些共享资源均由操作系统的内核统一管理因此所有依附于同一进程的操作程序都能访问这些资源
涉及共享资源的操作包括存储分配、I/O操作以及文件管理等，并且均需经由系统调用的方式呈送给操作系统内核
提交服务请求后由操作系统核心处理。这样做能有效保障系统的稳定性和安全性，并防止用户进行非法操作。
1.1_7_操作系统的体系结构
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1.2 重点,难点学习提示
- OS的引入和发展
(1)早期无OS的计算机系统中,存在着人机矛盾和CPU I/O设备速度不匹配的矛盾,他们对计算机资源的利用率有何严重的影响?
(2)单道批处理系统中引用了那些技术?他是如何解决上述两队矛盾的?
(3)单道批处理系统还存在那些不足之处?而多道批处理系统又是通过那些技术措施来解决这些不足的?
(4)多道批处理系统还有那些地方不能满足用户的需求?或者说,是在什么样的需求推动力的作用下,由批处理系统发展为分时系统的?
实现分时系统的关键技术是什么?
(5)上述几种系统还有那些地方不能满足用户的需求,或者说,是在什么样的需求推动力的作用下,由分时系统又发展为实时系统的?
在学习时,还应逐一分析和比较分时系统与实时系统的特征。
- OS的基本特征和功能
(1) OS的主要特性包括并行运行特性、资源互操作性和虚拟化运行以及非同步操作特性。
(2) 在这些主要特性的相互关联中，并行运行特性占据核心地位，并非所有特性都能独立存在——其余三项均需在并行运行的基础上实现。
(3) 这些功能具体包括进行处理与管理、内存使用与优化以及硬件设备的有效管理和配置等环节，并包含文件组织与保护以及便于人机交互等多个方面。
(4) 深入探讨：若要实现某些功能，则系统又将如何相应地进行响应？
- 分层式结构和微内核结构
(1)如何定义分层式架构
(2)阐述分层设计的基本法则
(3)如何阐述客户-服务器架构的工作原理
(4)简述面向对象编程的基本概念
(5)分析微内核架构的设计思路
1.3 典型问题分析和解答
1.3.1 OS的引入和发展过程中的典型问题分析
【例1】试说明操作系统与硬件、其他系统软件以及用户之间的关系
操作系统是运行于硬件之上的底层系统软件，在负责管理和监控下处理计算机的各项软硬件资源，并为用户提供友好的人机交互界面。
由于其与硬核设备之间存在紧密联系，在负责管理和监控下处理各项硬核功能后会极大地便利使用者对这些硬核设备的操作并提升其利用率。
它们是独立开发的独特系统软件，在为其基础上运行的各种应用软体提供丰富服务的同时充当了其它软体与硬核设备之间的桥梁角色。
关系如下图示：
【例2】什么是多道程序技术？在OS中进入该技术,带来了哪些好处?
多道程序技术被称为一种机制，在内存中同时存储多个作业，并使其能够共享系统的资源并同时执行的技术。
采用多道程序技术带来了以下优势：
（1）显著提升了CPU的使用效率
（2）从而提高了内存和I/O设备的使用效率
（3）显著提升了系统的吞吐量
【例3】推动批处理系统和分时系统形成和发展的主要动力是什么?
(1)促进批处理系统的建立和发展核心驱动力包括：提升资源利用率与优化吞吐量。
(2)分时系统的建立与发展受到用户需求满足的影响。例如：通过提升人机交互能力使用户能够便捷地自主管理作业。
【例4】
【例5】实现分时系统的关键问题是什么?应如何解决?
关键问题
让用户在其终端设备上输入命令以请求服务，并确保这些请求能在用户可接受的时间内得到响应。
如何解决：
针对及时接收问题，在系统中设置多路数据通道，并允许多个终端设备的数据流同时被主机接收；为每个终端设备分配一个临时存储区域（buffer），用于暂存用户输入的指令或数据内容。
针对及时处理问题，在系统中设定一个时间片分时调度机制（time slice），使得每个作业都能独占一段运行时间片；当时间片结束时（regardless of whether the job has completed its execution），不论程序是否已经完成任务（ finished or not ）, 都必须切换到下一个作业的执行。
为此，在以下两个方面进行优化：
一方面，在提交后立即加载到内存中；另一方面，在启动调度机制之前需确保所有作业已进入主存环境（memory）。通过上述措施的应用，在有限的时间内可保证所有作业都能得到及时处理和响应。
【例6】试从交互性、及时性和可靠性三个方面，比较分时系统与实时系统
(1)交互性：交互性是分时系统的核心挑战。在分时系统中，用户可通过终端与系统展开广泛的人机互动，并可执行文件编辑、数据处理以及资源共享等功能。而实时系统的交互性主要集中在对专用服务程序的访问上，在实时系统中对这些服务程序的响应时间通常被设定在2~3秒以内。相比之下，在实时控制系统中对系统的及时响应要求更为严格。
(2)及时性：从时间效率的角度来看，在分时操作系统中实现快速响应是关键目标之一。实时系统的及时响应能力不仅体现在数据处理上还要考虑到各环节的时间衔接问题，并且通常会将响应时间控制在可接受的范围内（2~3秒）。然而，在实时控制系统中对系统的响应速度要求更高一些。
(3)可靠性：对于实时控制系统而言其高可靠性特征使其具备了显著的优势但是在实际应用过程中由于各种复杂因素可能导致运行状态出现异常从而给企业带来巨大的经济损失因此必须采取多层次的安全保护措施来确保系统的稳定运行。
1.3.2 OS的基本特征和功能中的典型问题分析
【例7】操作系统具有哪几大特征?他们之间有何关系?
并发性、虚拟性、资源共享性、异步性的关系如下：
（1）并行性和资源共享性构成了操作系统的核心特性。以提高系统资源利用率为目标，在单机多程序设计框架下实现多个程序对系统资源的共享并行运行。
（2）并行性和资源共享性之间存在互为条件的关系。一方面，在多进程协同执行的基础上实现资源共享；另一方面，在有效管理资源共享的前提下协调多进程间的协作关系，则可避免进程间的竞争导致的性能下降甚至崩溃现象的发生。
（3）虚拟性的引入依赖于前述两者的前提条件。通过采用一系列虚拟化技术手段，在逻辑层面上增加CPU、I/O设备及存储器的数量以扩大系统的运行能力，在有限系统资源条件下实现多进程间的高效协同运行支持功能的提升与扩展。
（4）异步性特征的产生是前述两者的直接结果。
1.3.3 分层式和微内核结构中的典型问题分析
【例8】试比较分层式结构与模块式结构的异同
分层式的结构同样具备模组化的特点。
分层次式的模组化架构也需将复杂的操作系统划分为若干个简单且相对独立的模组；为了实现各模组间的协作互动，则需制定明确的模组间接口。
因此，在这种架构模式下不仅提升了系统的可读性和适应性而且为每层级构建了一个稳定可靠的基础从而保证了整体系统的可靠性。其主要区别在于分层次式的各功能模组之间存在明确顺序。
在这种架构模式下系统中的各个功能模组按照功能流图所指示的功能调用次序被组织成多层结构；而 unlike 模块化的架构方式 各层间的模组也不如同一模式下通过接口无章法地相互调用而是仅限于单项依赖或者单向协作即上一层只能依赖于下一层提供的服务而下一层则无法反向获取信息这种严格的层次关系使得整个系统的组织更加清晰明了。因此在这样的架构设计中不仅使得系统变得更加易懂而且为每个层级提供了独立可靠的运行基础从而显著提升了整体系统的可靠性和稳定性。
【例9】微内核结构具有那些优点？为什么？
（1）增强了系统的扩展性。基于微内核架构设计时，默认情况下操作系统的主要功能由一组相对独立且功能完整的服务器实现。这些服务能够满足不同用户的个性化需求，并支持用户灵活配置系统中的任意数量服务器组合，并能根据硬件升级和技术进步自动优化现有服务器配置或补充新设备。
（2）由于所有的服务器都是运行在用户态的他们不能直接访问底层硬件资源因此当单个服务发生故障时通常只会对该服务本身产生影响而不会波及到内核或其他服务。（3）在内核架构下与特定CPU和I/O设备相关的代码被集中存储于硬件隐藏层以上部分完全与硬件无关因此将该操作系统移植至另一台不同的计算平台所需的改动主要集中在高层逻辑层面。
（4）该系统具备良好的分布式计算能力。对于客户端进程而言它无需关心消息的实际传输路径只需通过标准消息队列机制与后端服务交互即可完成请求响应流程这一特性使得复杂的分布式应用开发变得异常简便。
1.4习题（不再分选项）
1.4.1 选择题
为计算机系统中的资源管理目标而配置操作系统的主要目的是提高资源利用率。操作系统的主要功能是管理计算机系统中的资源，并包括存储器、处理器以及文件和设备。在这一部分中，处理器管理的核心内容是对进程进行协调与控制。
操作系统有多种类型：
-
采用交互式方式进行使用的多用户操作系统被称作分时系统；
-
多个用户将作业提交至计算机集中处理的操作系统被称为批处理操作系统的前提是；
-
实时操作系统的管理下能够高效响应数据流，并根据反馈做出相应的反应；基于IBM-PC的操作则被称为微机操作系统。
操作系统属于系统软件的一种，在日常使用中主要管理着各种与硬件相关的任务，并独立处理那些不直接影响应用程序的工作。编译高级编程语言并不是影响操作系统的最关键因素。
用户在程序设计过程中，可通过系统调用来获得的操作系统的服务。
在操作系统中采用多道程序设计技术后（或：通过多道程序设计技术的应用），CPU性能显著提升（或：性能明显增强）。同时，在进行多道程序设计时需要较大的内存资源（或：较高的内存容量）。
实现批处理系统的成长与演进其关键驱动力在于优化资源利用效率 促进分时计算体系建立的根本原因是为了提升用户体验便利性 微机操作系统得以持续创新的主要推力源于计算机硬件技术的持续进步
当进行分时操作系统的开发时,首要关注的就是人机交互性能以及系统的快速响应能力;对于运行批处理任务的计算机系统来说,在优化方面必须关注作业完成周期和系统的处理能力;在开发实时操作系统的过程中,首要关注的就是系统响应速度和其稳定性.
在多道批处理系统中，在最大限度地利用各类资源的前提下（或为了最大限度地利用各类资源），系统倾向于同时启动计算型和I/O型均衡的任务（或说该系统的运作策略是倾向于优先投入计算类和I/O类均衡的任务）；为提升吞吐量水平（或简言之，在追求高吞吐量方面），该系统致力于减少用户作业的平均周转时间）。
略(1)
分时系统的反应速度（及时性）主要取决于用户可接受的等待时间长度，而实时系统的反应速度则是由控制对象可接受的延迟来决定的。
允许多个用户同时接入该系统的前提是确保各用户的程序都能顺利运行；假设当前系统的用户数达到100，则为了保证整体响应速度不超过2秒的限制条件，在这种情况下每个用户的单体响应时间最多可设置在20毫秒。
允许多个用户同时接入该系统的前提是确保各用户的程序都能顺利运行；假设当前系统的用户数达到100，则为了保证整体响应速度不超过2秒的限制条件，在这种情况下每个用户的单体响应时间最多可设置在20毫秒。
分时系统和实时系统各自具备交互性,实时系统的交互性能让用户访问专用服务程序,而分时系统的交互性能则能让用户请求系统提高多方面服务的质量。
实时操作系统必须在规定时间内响应并完成所有突发的、外部的任务。并非主要关注的是系统的资源利用率。
针对下列系统而言, 民航售票系统属于实时性系统, 而火箭飞行控制系统则负责管理自动化控制平台。
略
在单处理器系统中,可以并发但不可以并行工作。
略
当采用微内核架构时，则会将操作系统划分为实现其核心功能的部分以及向哪些服务提供支持的部分两个主要组成部分；通常，在操作系统的内核中应包含以下这些模块式的中断处理机制。
相较于传统OS而言，基于微核架构的操作系统具备诸多优势；然而这些优势并不包含提升运行效率这一点。
在8位微机上占据主导地位的操作系统是CP/M，在16位微机会采用MS-DOS作为其操作系统的标准
基于3.X版本之前的MS-DOS系统采用单一用户与单一任务架构设计；而Windows 95则采用了单一用户与多项任务设计模式；其中Windows X、Windows 7以及Windows 8均支持多元用户与多项任务架构；这些系统均为微软公司开发
UNIX系统最早源于贝尔实验室的推出，并被设计为一种支持多用户和多任务操作的系统。
linux是一个基于多用户多任务的操作系统;其开发内核是由linux tortcalds主导的;所谓'免费软件'(free software)，意味着用户不仅拥有使用该软件的权限，还可以自由地修改和分发该软件
1.4.2 填空题
设计现代OS的主要目标是提高资源利用率和方便用户。
单道批处理系统应运而生以解决人机冲突以及CPU与I/O设备性能差异的问题
单处理器环境中实施的多线程程序设计具备以下显著特性：其一为采用多线程模式实现任务并行；其二从整体视角来看实现并行处理；其三在细节层面轮流执行以保证高效运行。
现代操作系统的主要两个基本属性包括并行性和资源共享能力；此外还有虚拟性和异步性。
从资源管理和操作的角度来看，在操作系统领域内存在一类具有四项核心功能的操作系统：它们既能进行处理和管理相关任务，又能实现内存管理和存储器优化；以提升用户体验为目标的基础上，这些操作系统必须为用户提供便捷的操作界面。
传统操作系统中的进程管理、存储器管理和设备 manage 以及文件 management 等基本功能被包含；现代 operating system 则增添了 system security 技术, network 技术以及 multimedia 技术等功能。
操作系统的基本类型主要有批处理系统、分时系统、实时系统。
批处理系统的主要优势在于资源利用效率高以及处理大量并发作业的能力强；其主要缺陷体现在缺乏人机交互界面支持以及作业平均等待时间较长。
分时系统的关键技术难点在于人机交互界面的优化设计，在具体实现过程中需要综合考虑多任务处理的需求，在分时操作系统中合理分配各子系统的运行时间以提高整体系统的响应效率
分时系统的基本特征是：多路性、独立性、交互性、和及时性
在多个时间段内同一时间间隔内发生的事件被定义为并发行为；而在同一个时间点上发生的多个事件则被视为并行行为。
实时系统包括实时处理型信息、指令控制平台、多媒體系統和嵌入式系統等类型；民用航空售票管理平台属于 realtime information processing system, 而导弹遥控指挥体系属于 implementation control systems.
为了使实时系统高度可靠与安全，通常不强求资源利用率
目前广受欢迎的微内核操作系统架构基于分层架构，并且不仅采用客户机/服务器模式而且也应用了面向对象程序设计技术。
计算机操作系统（第四版——汤子瀛）
习题
- 设计现代OS的主要目标是什么？
（1）有效性
（2）方便性
（3）可扩充性
（4）开放性
- OS的作用可表现在哪几个方面？
（1）OS充当着用户与计算机硬件系统的接口工具
（2）OS担任着管理着计算机系统各项资源的角色
（3）IS用于完成对计算机制作抽象处理的任务
- seismic说操作系统实现了对计算机资源的抽象？
最初，在裸机环境中加载了I/O设备管理软件这一层软件，在此基础上完成了对计算机硬件操作的第一层次抽象。
接着，在第一层软件的基础上加载了文件管理软件完成了对 hardware 资源的操作。
通过这套多层次的 system 架构，在 computer 硬件上安装了一套多层次的 system 软件架构提升了 system 的功能完整性，并使得 system 能够合理地分配和使用各层级的功能模块。
- 试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？
主要驱动力源于四个维度的社会需求和技术进步：
（1）持续提升计算机资源使用效率；
（2）增强用户体验便利性；
（3）设备迭代更新以适应技术变革；
（4）计算架构持续优化以提升性能。
- 何谓脱机I/O和联机I/O？
脱机型I/O操作是指在操作开始前将包含用户程序及数据的数据载体放入纸带输入/输出设备中，在外围设备负责处理的情况下完成数据传输至存储介质。
这种模式下（即脱机/I/O模式），所有输入输出操作均由外围设备执行完毕，并且整个过程完全脱离主机环境。联接型/I/O模式则是指所有程序与数据的操作都在主机内部直接处理，并且通过硬件实现与外部设备的数据交换。
- 试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？
促进分时系统建立和发展的主要原因是更好地满足用户需求的内在要求。
当CPU采用时间片切换技术后，作业运行效率得到显著提升。
通过优化人机交互功能，使得用户能够直接操作并管理自己的作业。
计算机资源实现共享后，在线多用户可同时使用一台主机独立完成各自作业。
- 实现分时系统的关键问题是什么？应该如何解决？
关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设一多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配臵缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。针对及时处理问题，应使所有的用户作业都直接进入内存，并且为每个作业分配一个时间片，允许作业只在自己的时间片内运行，这样在不长的时间内，能使每个作业都运行一次。
- 为什么要引入实时操作系统？
实时操作系统是指系统能够迅速响应外部事件请求，在规定时间内对事件做出及时处理，并确保所有实时任务协调运行。
引入实时操作系统是为了满足应用需求，并以更好地满足实时控制领域和 realtime information processing 领域的具体要求。
- 什么是硬实时任务和软实时任务？试举例说明
硬实时任务指的是系统必须遵守其设定的时间限制，在不遵守的情况下可能会出现不可预测的结果。例如，在运载火箭的控制过程中。
软实时光限的任务是指其截止时间较为宽松，在有时会错过设定的时间限制时也不会产生显著影响。例如，在网页内容更新的过程中以及在火车售票系统的运行中。
- 试从交互性、及时性以及可靠性方面讲分时系统与实时系统进行比较
> （1）及时性：实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来确定；而实时控制系统的及时性，是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级到毫秒级，甚至有的要低于100微妙。
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> （2）交互性：实时信息处理系统具有交互性，但人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。不像分时系统那样能向终端用户提供数据和资源共享等服务。
（3）可靠性：分时系统也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统具有高度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是灾难性后果，所以在实时系统中，往往都采取了多级容错措施保障系统的安全性及数据的安全性。- OS有哪极大特征？其最基本的特征是什么？
并发性、共享性、虚拟性和异步性四个基本特征；最基本的特征是并发性。
在多道程序技术的操作系统环境下进行的资源共享与传统情况下资源的共享有何区别？对于专有资源应当采用哪一种共享策略？
资源利用率较高。
通过多道批处理技术可以让多个程序轮流执行。
从而让CPU始终处于繁忙状态；在内存中加入多个程序能进一步提升内存利用率。
同时也能优化I/O设备的使用效率。对于一个占用资源较多的任务来说，则应该采用独占共享的方式。
- 什么是时分复用技术？举例说明它能提高资源利用率的根本原因是什么？
时分复用技术:
通过在不同时间段对资源进行分配使用,使同一资源得以多次重复利用,从而有效提升资源利用率。
例如采用时分复用技术的虚拟处理机系统,能够在不同时间段内高效处理多个用户的请求,使得每个用户感觉自己独自占用主机的同时,系统又实现了充分的资源优化配置。
- 什么原因使操作系统具有异步性特征？
操作系统的异步性体现在三个方面：
其中一是进程运行中的不可预见性；
其二是程序运行结果的高度不稳定性；
其三是程序事件处理过程中的不确定性。
- 处理机管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？
处理器的核心职能包括以下四个关键方面：
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进程管理：负责创建新作业并取消已终止的任务，并对程序的状态进行转变
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进程同步：确保多个作业与线程能够协调工作
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进程通信：促进各相关过程之间的信息传递
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处理机调度：
a. 作业调度：从候补队列中选择任务并分配必要的资源以启动执行。优先考虑内存空间的分配
b. 进程调度：从就绪队列中选出待执行任务并设置运行环境以启动其执行流程。 -
内存管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？
内存管理负责分配、保护和转换内存空间。
内存分配任务是将系统资源按需分发给各个应用程序。
内存保护机制旨在防止不同进程间的数据冲突与干扰。
地址映射过程负责将虚拟地址转换为实际存储位置。
动态扩展模块主要承担进程间通信所需的扩展功能。
- 设备管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？
主要功能包括缓存管理、资源分配与优化、虚拟化资源等。
主要任务包括：响应用户的I/O请求并为其分配必要的I/O资源；优化系统资源利用率；提升整体性能指标；同时帮助用户更好地利用这些资源。
通过以上功能的实现，在保障系统高效运行的同时显著提升了用户体验。
- 文件管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？
文件管理的核心职能包括存储容量的管理和维护、目录的维护以及文件存取操作的防护措施。
文件管理的主要职责是负责管理和维护用户数据和个人组织数据，并为用户提供便捷的数据访问方式。
- 试说明推动传统OS演变为现代OS的主要因素是什么？
系统安全、网络的功能和服务、支持多媒体。
- 什么是微内核OS
精简的内核；遵循客户端/服务器架构；遵循分离应用机制与策略；采用面向对象设计。
- 微内核操作系统具有哪些优点？它为何能有这些优点？
1）该系统在可扩展性方面有所增强
2）该系统在可靠性方面取得了显著提升
3）该系统具备良好的通用性
4）支持了分布式系统架构的实现
5）整合了面向对象技术
- 现代操作系统较之传统操作系统又增加了哪些功能和特征？
(1)进程(线程)管理。
(2)低级存储器管理。
(3)中断和陷入处理。
- 在微内核OS中，为什么要采用 客户/服务器模式？
C/S 模式具有独特优势：
①采用分布式的数据处理与存储方案。
②能够方便地实施集中化管理系统。
③系统具备良好的灵活性与扩展能力。
④支持方便地进行应用程序开发。
- 在基于微内核结构的OS中，应用了哪些新技术？
在基于微内核结构的OS 中，采用面向对象的程序设计技术。
- 所谓微内核技术？在微内核中通常提供了哪些功能？
将操作系统中的大量组件和服务迁移到较高的层级（即用户空间）以便执行相应的操作任务，在其核心部分仅保留一个小型的内核用于处理最低层的基本操作需求，并以此为基础实现整个操作系统的功能体系结构；这种设计理念被称为微内核体系架构。在微内核架构下的一般情况下会提供进程（线程）管理和内存管理等功能。