第一章 操作系統(tǒng)引論

1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用

1.1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)

1. 方便性（用戶的觀點(diǎn)）

   提供良好的刀崖、一致的用戶接口抄腔，彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別蜀撑。

2. 有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)）

   提高系統(tǒng)資源的利用率村怪，提高系統(tǒng)的吞吐量

3. 可擴(kuò)充性（系統(tǒng)開發(fā)人員的觀點(diǎn)）

   為適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件法瑟、體系結(jié)構(gòu)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展的要求冀膝。可擴(kuò)充性與 os 結(jié)構(gòu)有十分緊密的聯(lián)系霎挟。

4. 開放性（開放的觀點(diǎn)）

   所謂開放性窝剖，是指系統(tǒng)能遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開發(fā)系統(tǒng)互聯(lián) OSI 國際標(biāo)準(zhǔn)酥夭。使各種計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能夠有效赐纱、協(xié)同地工作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性和互操作性熬北。

1.1.2 操作系統(tǒng)的作用

• 從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成觀點(diǎn)疙描，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件。

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• 從服務(wù)用戶的觀點(diǎn)蒜埋，操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間接口淫痰。
• 從資源管理觀點(diǎn)，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源管理者整份。
• 從軟件分層待错、擴(kuò)充機(jī)器的觀點(diǎn)，OS 實(shí)現(xiàn)了對計(jì)算機(jī)資源的抽象烈评，是擴(kuò)充裸機(jī)的第一層系統(tǒng)軟件火俄。

1.1.3 推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力

• 提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)昂貴讲冠，用作集中計(jì)算瓜客；
• 方便用戶：用戶上機(jī)、調(diào)試程序竿开，分散計(jì)算時的事務(wù)處理和非專業(yè)用戶（商業(yè)和辦公谱仪、家庭）；
• 器件的不斷更新?lián)Q代：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）否彩、快速外存疯攒；
• 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：單處理器、多處理器列荔、網(wǎng)絡(luò)敬尺；
• 新的應(yīng)用需求的不斷提出枚尼。

1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程

• 第0代（40年代未－50年代初）無操作系統(tǒng)

  這時的計(jì)算機(jī)操作是由程序員采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

• 第1代（50年代中－50年代末）初級單道批處理系統(tǒng)

  它是為了減少人工操作時間和作業(yè)轉(zhuǎn)換時間提高CPU利用率而設(shè)計(jì)的砂吞。系統(tǒng)自動成批處理作業(yè)署恍，這是初級單道批處理系統(tǒng)。

• 第2代（60年代初－60年代中）多道程序設(shè)計(jì)共享系統(tǒng)

  這一代操作系統(tǒng)包括多道批處理系統(tǒng)蜻直、采用交互方式的分時系統(tǒng)和以提高瞬時響應(yīng)時間為特征的實(shí)時系統(tǒng)盯质。

• 第3代（60年代中－70年代中）多模式系統(tǒng)

  這一代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是通用系統(tǒng)，這一代操作系統(tǒng)是多模式系統(tǒng)概而，即一個系統(tǒng)同時支持批處理唤殴、分時處理、實(shí)時處理和多重處理到腥。

• 第4代（70年代中－ ）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)

  網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行信息交換、資源共享和互操作等功能蔚袍。分布式操作系統(tǒng)將地域上分散的各系統(tǒng)互連成一個具有整體功能的系統(tǒng)乡范，并可將一個任務(wù)分布地在各系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分布式處理啤咽。

1.2.1 未配置操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)沒有配置操作系統(tǒng)晋辆、人工負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的調(diào)度、人工負(fù)責(zé)作業(yè)編排順序宇整。

1. 人工操作方式

   缺點(diǎn)：用戶獨(dú)占全機(jī)瓶佳、CPU 等待人工操作、計(jì)算機(jī)的資源利用率很低鳞青。

2. 脫機(jī)輸入/輸出（Off-Line I/O）方式

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1.2.2 單道批處理系統(tǒng)

目標(biāo)：解決人機(jī)矛盾和高速 CPU 與低速 I/O 間矛盾等問題霸饲，提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)中的資源得不到充分的利用臂拓。這是因?yàn)樵趦?nèi)存中僅有一道程序厚脉，每逢該程序在運(yùn)行中發(fā)出 I/O 請求后，CPU 便處于等待狀態(tài)胶惰，必須在其 I/O 完成后才繼續(xù)運(yùn)行傻工。在 t₂～t₃、t₆～t₇ 時間間隔內(nèi) CPU 空閑孵滞。

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1.2.3 多道批處理系統(tǒng)

目標(biāo)：為了進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量中捆，在硬件采用通道和中斷技術(shù)支持并行操作的情況下，引入了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)坊饶，由此形成多道批處理系統(tǒng)泄伪。

優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大幼东；

缺點(diǎn)：平均周轉(zhuǎn)時間長臂容、無交互能力科雳。

衡量操作系統(tǒng)或整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)：資源利用率、吞吐量脓杉、周轉(zhuǎn)時間糟秘。

多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題：處理機(jī)爭用問題、內(nèi)存分配和保護(hù)問題球散、I/O 設(shè)備分配問題尿赚、文件的組織和管理問題、作業(yè)管理問題蕉堰、用戶與系統(tǒng)的接口問題凌净。

1.2.4 分時系統(tǒng)

分時系統(tǒng)的形成和發(fā)展的動力是用戶的需要——人機(jī)交互、共享主機(jī)屋讶。

分時系統(tǒng)是指在一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端冰寻，它同時允許許多用戶通過終端以交互方式使用計(jì)算機(jī)共享主機(jī)中的資源。

分時系統(tǒng)的關(guān)鍵問題：及時接受皿渗、及時處理斩芭。

特征：多路性（同時性）、獨(dú)立性乐疆、及時性划乖、交互性。

響應(yīng)時間是分時系統(tǒng)的重要指標(biāo)挤土，它是用戶發(fā)終端命令到系統(tǒng)作出響應(yīng)之間的時間間隔琴庵。

1.2.5 實(shí)時系統(tǒng)

實(shí)時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理仰美，并控制所有實(shí)時任務(wù)協(xié)調(diào)一致的運(yùn)行迷殿。

常見的實(shí)時系統(tǒng)：工業(yè)（武器）控制系統(tǒng)、信息查詢系統(tǒng)咖杂、多媒體系統(tǒng)贪庙、嵌入式系統(tǒng)。

實(shí)時任務(wù)的類型：周期性實(shí)時任務(wù)和非周期性實(shí)時任務(wù)翰苫、硬實(shí)時任務(wù)和軟實(shí)時任務(wù)止邮。

特征：多路性、獨(dú)立性奏窑、及時性导披、交互性、可靠性埃唯。

1.2.6 微機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展

單用戶單任務(wù) --> 單用戶多任務(wù) --> 多用戶多任務(wù)

1.2.7 多處理機(jī)操作系統(tǒng)

提高性能有兩條途徑：提高各個組成部分的速度撩匕、增大處理的并行程度。

類型：緊密耦合（一個 OS 核心）墨叛、松散耦合（獨(dú)立運(yùn)行 OS）止毕。

1.3 操作系統(tǒng)的基本特性

并發(fā)性模蜡、共享性、虛擬性扁凛、異步性忍疾。

• 并發(fā)性

  并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個概念。并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生谨朝。而并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生卤妒。

• 共享性

  • 互斥共享方式：雖然可以提供給多個進(jìn)程(線程)使用，但應(yīng)規(guī)定在一段時間內(nèi)字币，只允許一個進(jìn)程訪問該資源则披。
  • 同時訪問方式：允許在一段時間內(nèi)由多個進(jìn)程“同時”對它們進(jìn)行訪問。

• 虛擬性

  虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段洗出，可提高資源利用率士复。

  • 時分復(fù)用技術(shù)：虛擬處理機(jī)技術(shù)、虛擬設(shè)備技術(shù)翩活。
  • 空分復(fù)用技術(shù)判没。

• 異步性

  在多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行隅茎，但由于資源等因素的限制，程序的執(zhí)行并非“一氣呵成”嫉沽，而是以“走走停捅傧”的方式運(yùn)行，即程序是以異步方式運(yùn)行的绸硕。

  兩種不確定性：每個程序（進(jìn)程）執(zhí)行的速度和時間不確定堂竟，各程序（進(jìn)程）之間推進(jìn)的序列也不確；每個程序（進(jìn)程）執(zhí)行結(jié)果不確定玻佩。

1.4 操作系統(tǒng)的主要功能

1.4.1 處理機(jī)（進(jìn)程）管理

處理機(jī)管理的主要任務(wù)出嘹，是對處理機(jī)進(jìn)行分配，并對其運(yùn)行進(jìn)行有效的控制和管理咬崔。在多道程序環(huán)境下税稼，處理機(jī)的分配和運(yùn)行以進(jìn)程為基本單位。

1. 進(jìn)程控制：創(chuàng)建垮斯、撤銷郎仆、掛起、改變運(yùn)行優(yōu)先級等兜蠕；
2. 進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟扰肌，以協(xié)調(diào)資源共享；
3. 進(jìn)程通信：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)熊杨，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作曙旭；
4. 進(jìn)程調(diào)度：作業(yè)和進(jìn)程的調(diào)度切換盗舰，以充分利用處理機(jī)資源和提高系統(tǒng)性能.

1.4.2 存儲器的管理

存儲器管理的主要任務(wù)是為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，方便用戶使用存儲器桂躏，提高存儲器的利用率钻趋，以及能從邏輯上來擴(kuò)充內(nèi)存，因此存儲管理應(yīng)具有：

• 內(nèi)存分配與回收：靜態(tài)沼头、動態(tài)爷绘；
• 內(nèi)存保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密进倍；
• 地址映射：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射土至；
• 內(nèi)存擴(kuò)充：提高內(nèi)存利用率、擴(kuò)大進(jìn)程的內(nèi)存空間猾昆。

1.4.3 設(shè)備管理

設(shè)備管理的任務(wù)是登記各 I/O 設(shè)備狀態(tài)陶因，管理并完成用戶提出的 I/O 請求，按一定的策略為用戶分配 I/O 設(shè)備垂蜗。同時提高 CPU 和 I/O 設(shè)備的利用率楷扬，提高 I/O 速度，方便用戶使用 I/O 設(shè)備：

• 緩沖管理：匹配CPU和外設(shè)的速度贴见，提高兩者的利用率烘苹；
• 設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享 I/O 設(shè)備資源；
• 設(shè)備處理：利用設(shè)備驅(qū)動程序完成對設(shè)備的操作片部；
• 設(shè)備獨(dú)立性(device independence)：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口镣衡，使應(yīng)用程序獨(dú)立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性档悠；
• 虛擬設(shè)備(virtual device)：設(shè)備由多個進(jìn)程共享廊鸥，每個進(jìn)程如同獨(dú)占。

1.4.4 文件管理

文件系統(tǒng)的任務(wù)是對用戶文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行管理辖所，以方便用戶使用惰说，并保證文件的安全性。

• 文件存儲空間管理

  解決如何存放信息缘回，以提高空間利用率和讀寫性能吆视。

• 目錄管理

  解決信息檢索問題。文件的屬性（如文件名）酥宴、單一副本賦予多文件名揩环。

• 文件的讀寫管理和存取控制

  解決信息安全問題。系統(tǒng)設(shè)口令"哪個用戶"幅虑、用戶分類"哪個用戶組"丰滑、文件權(quán)限"針對用戶或用戶組的讀寫權(quán)"。

1.4.5 用戶接口

1. 用戶接口：脫機(jī)用戶接口、聯(lián)機(jī)用戶接口褒墨、圖形用戶接口炫刷。
2. 程序接口：為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑郁妈。

1.4.6 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新功能

1. 系統(tǒng)安全：認(rèn)證技術(shù)浑玛、密碼技術(shù)、訪問控制技術(shù)噩咪、反病毒技術(shù)顾彰；
2. 網(wǎng)絡(luò)的功能和服務(wù)：網(wǎng)絡(luò)通信、資源管理胃碾、應(yīng)用互操作涨享；
3. 支持多媒體：接納控制功能、實(shí)時調(diào)度仆百、多媒體文件的存儲厕隧。

1.5 OS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.5.1 傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)

   早期的 OS 是無結(jié)構(gòu)的，又稱為整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)俄周。

2. 模塊化結(jié)構(gòu) OS

   • 模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)的基本概念

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   • 模塊獨(dú)立性

     在模塊-接口法中吁讨，關(guān)鍵問題是模塊的劃分和規(guī)定好模塊之間的接口，在劃分模塊時峦朗，應(yīng)在兩者間進(jìn)行權(quán)衡建丧。

   • 模塊接口法的優(yōu)點(diǎn)

     • 提高OS設(shè)計(jì)的正確性、可理解性和可維護(hù)性波势。
     • 增強(qiáng)OS的可適應(yīng)性翎朱。
     • 加速OS的開發(fā)過程。

   • 模塊接口法的缺點(diǎn)

     • 在OS設(shè)計(jì)時艰亮，對各模塊間的接口規(guī)定很難滿足在模塊設(shè)計(jì)完成后對接口的實(shí)際需求。
     • 在OS設(shè)計(jì)階段挣郭，設(shè)計(jì)者必須做出一系列的決定(決策)迄埃，每一個決定必須建立在上一個決定的基礎(chǔ)上，但模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兑障，各模塊的設(shè)計(jì)齊頭并進(jìn)侄非，無法尋找一個可靠的決定順序，造成各種決定的“無序性”流译，這將使程序人員很難做到“設(shè)計(jì)中的每一步?jīng)Q定”都是建立在可靠的基礎(chǔ)上逞怨，因此模塊-接口法又被稱為“無序模塊法”。

3. 分層式結(jié)構(gòu) OS

   分層法的設(shè)計(jì)任務(wù)是福澡，s在目標(biāo)系統(tǒng) A_n 和裸機(jī)系統(tǒng)(又稱宿主系統(tǒng)) A₀ 之間叠赦，鋪設(shè)若干個層次的軟件 A₁、A₂革砸、A₃除秀、…糯累、A_n-1，使 A_n 通過 A_n-1册踩、A_n-2泳姐、…、A₂暂吉、A₁ 層胖秒，最終能在 A₀ 上運(yùn)行。在操作系統(tǒng)中慕的，常采用自底向上法來鋪設(shè)這些中間層阎肝。

   優(yōu)點(diǎn)：易保證系統(tǒng)的正確性、易擴(kuò)充性和維護(hù)性业稼。

   缺點(diǎn)：系統(tǒng)效率降低盗痒。

1.5.2 客戶/服務(wù)器模式簡介

三部分：客戶機(jī)、服務(wù)器低散、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)俯邓。

客戶/服務(wù)器之間的交互：客戶發(fā)送請求消息；服務(wù)器接收消息熔号；服務(wù)器回送消息稽鞭；客戶機(jī)接收消息。

優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)的分布式處理和存儲引镊、便于集中管理朦蕴、靈活性和可擴(kuò)充性、易于改編應(yīng)用軟件弟头。

1.5.3 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)簡介

優(yōu)點(diǎn)：　(1) 通過“重用”提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率吩抓；(2) 使系統(tǒng)具有更好的易修改性和易擴(kuò)展性；(3) 更易于保證系統(tǒng)的“正確性”和“可靠性”赴恨。

1.5.4 微內(nèi)核 OS 結(jié)構(gòu)

1. 足夠小的內(nèi)核
2. 基于客戶/服務(wù)器模式
3. 應(yīng)用“機(jī)制與策略分離”原理
4. 采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)

功能：進(jìn)程（線程）管理疹娶、低級存儲器管理、中斷和陷入管理伦连。

優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性雨饺；(2) 增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性；(3) 可移植性強(qiáng)惑淳；(4) 提供了對分布式系統(tǒng)的支持额港；(5) 融入了面向?qū)ο蠹夹g(shù)。