操作系统引论

操作系统的目标和作用

操作系统的目标

主要目标是方便性、有效性、可扩充性、开放性

• 方便性：就是方便用户操作
• 有效性：就是提高系统资源利用率；提高系统吞吐量。（让资源变得更加有效）
• 可扩充性：OS必须具备良好的可扩充性。
• 开放性：遵从世界标准，保证兼容性。

操作系统的作用

• 作为用户与计算机硬件系统直接的接口，让用户方便，快捷，可靠地操纵计算机硬件和运行自己地程序。
• 作为计算机系统资源地管理者，管理计算机的硬件资源软件资源。
• 实现了对计算机资源的抽象，让用户更容易使用计算机硬件资源（如用户存储删除文件，实际上是调用了操作系统的IO命令）。

操作系统的发展过程

无操作系统时代

• 人工操作方式：
  • 用户独占全机
  • CPU等待人工操作
  • 人机矛盾严重，人工操作严重降低了计算机资源的利用率。
• 脱机输入输出
  • 引入脱机I/O技术，一定程度上解决了人机矛盾（CPU和I/O设备之间速度不匹配问题）
  • 减少了CPU的空闲时间，提高了I/O速度。

单道批处理系统

把一批作业以脱机方式输入道磁带上，并在系统中配置监督程序，在它的控制下，程序一个一个执行。

• 缺点
  • 资源得不到重复利用。CPU和I/O不能同时运行，总有一方在等待。

多道批处理系统

可进一步提高资源利用率和系统吞吐量

• 多道批处理系统的优缺点
  • 资源利用率高，CPU和I/O一定程度上可以并行
  • 系统吞吐量大（CPU可长时间处于忙碌，处理的东西多）
  • 平均轮转周期长
  • 无交互能力
• 多道批处理系统需要解决的问题
  • 如何合理解决处理机的分配问题
  • 内存分配和内存保护，保证程序各司其职，互不打扰
  • I/O设备分配问题
  • 文件的组织和管理（如何存放程序和数据）
  • 作业管理（各种不同的作业如何合理组织）
  • 用户与系统接口问题。（为了方便用户使用OS，需要提供相关接口）

从而引出OS的定义：OS是一组能有效地组织和管理计算机软硬件资源，合理对各类作业进行调度，以方便用户使用地程序地集合。

分时系统

可满足人机交互

• 分时系统中的关键问题
  • 要可以及时接收用户的命令或数据。
  • 要可以及时处理用户的请求
• 分时系统的特征
  • 多路性：多台终端，连接一台主机
  • 独立性：不同用户使用主机时互不干扰
  • 及时性：用户的请求科在短时间内获得响应
  • 交互性：用户可与OS进行交互；如编辑文件，处理数据，打印文件。

实时系统

在规定时间内完成响应。可分为硬实时和软实时。硬实时必须在规定时间内完成响应，软实时允许可偶尔不在规定时间内完成响应。

操作系统的基本特性

并发，共享，虚拟，异步

并发与并行

并发是微观上，即一个很短的时间段内（如0.00010s内），两个程序交替运行，宏观上，即一个比较长的时间段内（如10s内），两个程序看起来是同时运行。

共享

共享即供内存中多个执行的进程共同使用。可分为互斥共享方式和同时访问方式

• 互斥共享
  • 一段时间内只许一个进程访问，该进程访问完后才允许另一个进程访问
• 同时访问方式
  • 宏观上同时，微观上交替访问

有并发才有共享，有共享并发的存在才有意义。

虚拟

把一个物理实体变成多个逻辑上的对应的功能。

异步

进程以人们不可预知的速度向前推进。

操作系统的主要功能

• 处理机管理
• 存储器管理
• 设备管理
• 文件管理