操作系统（1）操作系统概述

　　1.操作系统的目标：方便性、有效性、可扩充性和开放性。

　　

　　2.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 处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。用户可以通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用方式和图标-窗口方式来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。
• OS 作为计算机系统资源的管理者。在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及文件(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。
• OS 实现了对计算机资源的抽象。对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，由于它向用户提供的仅是硬件接口（物理接口），因此，用户必须对物理接口的实现细节与有充分的了解，这就致使该物理机器难于广泛使用。如果我们在裸机上覆盖上一层 I/O 设备管理软件，用户便可利用它所提供的I/O命令，来进行数据输入和打印输出。如果又在第一层软件上再覆盖上一层文件管理软件，则用户可利用该软件提供的文件存取命令，来进行文件的存取。如果又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚机器。此时用户所看到的机器， 将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。

　　

　　3.推动操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源利用率
• 方便用户
• 器件的不断更新换代
• 计算机体系结构的不断发展
• 不断提出新的应用需求

　　

　　4.操作系统的基本特征

• 并发。正是系统中的程序能并发执行这一特征，才使得 OS 能有效地提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。
• 并行与并发。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。
• 引入进程。在一个未进入进程的系统中，在属于同一个应用程序的计算程序和 I/O 程序之间只能是顺序执行，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 I/O 操作时，计算程序也不能执行。但在为计算程序和 I/O 程序分别建立一个进程后，这两个进程便可并发执行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就可以并发执行，这样便能极大地提高系统资源的利用率，增加系统的吞吐量。
• 共享。在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理， 协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。
  • 互斥共享方式。系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。当一个进程A要访问某资源时，必须先提出请求，如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程A使用，此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)则必须等待。 仅当A进程访问完并释放该资源后， 才允许另一进程对该资源进行访问。把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。 计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。
  • 同时访问方式。系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件，也可以被“同时”共享，即若干个用户同时访问该文件。
• 虚拟。操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的， 即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，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。在计算机领域中，广泛利用时分复用技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，使资源的利用率得以提高。时分复用技术能提高资源利用率的根本原因在于，它利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其他用户服务，使设备得到最充分的利用。时分复用技术体现在虚拟处理及技术和虚拟设备技术。
  • 空分复用技术。多道程序技术（时分复用技术）是通过处理机的空闲时间运行其他程序，提高了处理机的利用率，那么，空分复用技术则是利用存储器的空闲时间分区域存放和运行其他多道程序，以此来提高内存的利用率。
• 异步。内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成； 而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。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。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统的一个重要特征。

　　

　　5.操作系统的基本功能

　　（1）处理机管理功能

　　在传统的多道程序中，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。处理机管理的主要功能有：创建和撤销进程、对诸进程的运行进行协调，实现进程之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程。

• 进程控制。在多道程序环境下为使作业能并发执行，必须为每道作业创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行结束时，应立即撤销该进程，以便能及时回收该进程所占用的各类资源，供其他进程使用。在设置有线程的 OS 中，进程控制还应包括为一个进程创建若干个线程，以提高系统的并发性。因此，进程控制的主要功能也就是为作业创建进程、撤销（终止）已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。
• 进程同步。为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式： ① 进程互斥方式， 这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时， 应采用互斥方式； ② 进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一个临界资源配置一把锁W，当锁打开时，进程(线程)可以对该临界资源进行访问；而当锁关上时，则禁止进程(线程)访问该临界资源。
• 进程通信。在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程(线程)之间，又往往需要交换信息。例如，有三个相互合作的进程， 它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算， 并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。当相互合作的进程(线程)处于同一计算机系统时，通常在它们之前是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接将消息(message)挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。
• 调度。在传统的 OS 中，调度包括作业调度和进程调度两步。（1）作业调度。作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定的算法选择出若干个作业，为它们分配运行所需的资源，在将这些作业调入内存后，分别为它们建立进程，使它们都成为可能获得处理机的就绪进程，并将它们插入就绪队列中。（2）进程调度。进程调度的任务是从进程的就绪队列中按照一定的算法选出一个进程，将处理机分配给它，并为它设置运行线程，使其投入执行。

　　（2）存储器管理功能

　　存储器管理的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的环境，提高存储器的利用率，方便用户使用，并能从逻辑上扩充内存。为此，存储器管理应具有内存分配和回收、内存保护、地址映射和内存扩充等功能。

• 内存分配。内存分配的主要任务是：为每道程序分配内存空间，使他们“各得其所”；提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间（碎片）；允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。OS 在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式：静态分配方式是每个作业的内存空间是在作业装入时确定的，在作业装入后的整个运行期间不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”；动态分配方式是每个作业所要求的的基本内存空间虽然也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增长，也允许作业在内存中“移动”。
• 内存保护。内存保护的主要任务是：①确定每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。②绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中去执行。为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行，必须设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。在程序运行时，系统必须对每条指令所要访问的地址进行检查，如果发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。
• 地址映射。在多道程序环境下，由于每道程序经编译和链接后所形成的的可装入程序其地址都是从0开始的，但不可能将它们都从“0”（物理）地址开始装入内存， 这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空间中的物理地址不相一致。使程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。
• 内存扩充。内存扩充并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序能并发运行。这样，既满足了用户的需要，改善了系统的性能，又基本上不增加硬件投资。 为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现两种功能。①请求调入功能，系统允许在仅装入部分用户程序和数据的情况下，便能启动该程序运行。在程序运行过程中，若发现要继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存，可向 OS 发出请求，由 OS 从磁盘中将所需部分调入内存，以便继续运行。②置换功能。若发现在内存中已无足够的空间来装入需要调入的程序和数据时，系统应能将内存中的一部分暂时不用的程序和数据调至硬盘上，以腾出内存空间，然后再将所需调入的部分装入内存。

　　（3）设备管理功能

　　设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备，而设备管理的主要任务是：①完成用户进程提出的 I/O请求，为用户进程分配其所需的I/O设备，并完成指定的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。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。

• 缓冲管理。CPU运行的高速性和I/O低速性间的矛盾自计算机诞生时起便已存在。 而随着CPU速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更为突出，严重降低了CPU的利用率。如果在I/O设备和CPU之间引入缓冲，则可有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，进而提高系统吞吐量。 因此，在现代计算机系统中， 都毫无例外地在内存中设置了缓冲区，而且还可通过增加缓冲区容量的方法，来改善系统的性能。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制，以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。
• 设备分配。设备分配的基本任务，是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间，还存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。为了实现设备分配，系统中应设置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。据这些表格可以了解指定设备当前是否可用，是否忙碌，以供进行设备分配时参考。在进行设备分配时，应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备(临界资源)的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。 设备使用完后，还应立即由系统回收。
• 设备处理。设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性，了解设备状态是否是空闲的，了解有关的传递参数及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备去完成指定的I/O操作。设备驱动程序还应能及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型，调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统， 设备处理程序还应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。

　　（4）文件管理功能

　　文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理以及文件的共享与保护等功能。

• 文件存储空间的管理。在多用户环境下，若由用户自己对文件的存储进行管理，不仅非常困难，而且也必然十分低效。因此需要文件系统对诸多文件及文件的存储空间实施统一的管理。其主要任务是：为每个文件分配必要的外存空阿金，提高外存的利用率，进而提高文件系统的存、取速度。为此，系统中应设置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时的参考。还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。
• 目录管理。目录管理的主要任务是为每个文件建立一个目录项。目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取。即用户只须提供文件名， 即可对该文件进行存取。其次，目录管理还应能实现文件共享，这样，只须在外存上保留一份该共享文件的副本。此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。
• 文件的读/写管理和保护。（1）文件的读/写管理。该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入外存。在进行文件读(写)时，系统先根据用户给出的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读(写)指针，对文件进行读(写)。一旦读(写)完成，便修改读(写)指针，为下一次读(写)做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可合用一个读/写指针。（2）为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，在文件系统中必须提供有效的存取控制功能，以实现下面的目标：①防止未经核准的用户存取文件；②防止冒名顶替存取文件； ③ 防止以不正确的方式使用文件。