操作系统引论

操作系统的定义

OS 是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度（合理地组织计算机工作），以及方便用户使用的程序的集合

操作系统的目标和作用

操作系统的目标

• 方便性 *
• 有效性 *
  • 提高系统资源利用率
  • 提高系统吞吐量
• 可扩充性
• 开放性
  • 遵循世界标准规范

方便性和有效性是设计操作系统时最重要的两个目标。

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（用户的角度）

  三种方式使用计算机：

  • 命令行方式
  • 系统调用方式
  • 图标窗口方式

• OS 作为计算机系统资源的管理者（资源管理角度）

  对四类资源进行管理：

  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • I/O 设备管理
  • 文件管理

  资源管理包含两种资源共享的使用方法：

  • 分时

  多个用户分时地使用该资源

  • 空分

  存储资源的空间可以被多个用户共同以分割的方式占用。

• OS 实现了对计算机资源的抽象（扩充机器）

  • 裸机
  • 虚拟机 / 扩展机

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
• 机器的不断更新换代
• 计算机体系结构的不断发展
• 不断提出新的应用需求

操作系统的发展过程

无操作系统的计算机系统

• 人工操作方式

  缺点：

  • 用户独占全机
  • CPU 等待人工操作
    • 人机矛盾
    • CPU 与 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾
  • 工作效率低

• 脱机输入 / 输出（Off-Line I/O）方式

  程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制之下完成的，

  即：程序和数据的输入和输出是在脱离主机的情况下进行

  • 脱机 I/O 的主要优点
    • 减少了 CPU 的空闲时间
    • 提高 I/O 速度，缓和了 CPU 和 I/O 设备间不匹配的矛盾

单道批处理操作系统

• 单道批处理系统的处理过程

  批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量.

  特征:

  • 自动性
  • 顺序性
  • 单道性

• 单道批处理系统的缺点
  最主要缺点：系统中的资源得不到充分利用

多道批处理操作系统

• 多道程序设计的基本概念：

  内存同时驻留多道程序 (作业)，处理机 (单处理机) 以交替的方式同时处理多道程序。

  • 宏观：已有多道程序开始运行且尚未结束；
  • 微观：某一时刻处理机只运行某道作业。

    • 好处：

      • 提高 CPU 的利用率；
      • 可提高内存和 I/O 设备的利用率；
      • 增加系统吞吐量。

    • 能提高吞吐量的原因：

      • 使 CPU 和资源保持 “忙碌” 状态；
      • 仅当作业完成或运行不下去时才进行切换，系统开销小。

• 特征

  • 多道性
  • 无序性：作业完成的先后顺序和他们进入内存的顺序并无严格的对应关系
  • 调度性:
    • A、作业调度
    • B、进程调度

• 优点：

  • 资源利用率高
  • 系统吞吐量大

• 缺点：

  • 平均周转时间长

    作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。

  • 无交互能力

• 推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量；

分时操作系统

• 推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求（人 —— 机交互）。

• 工作方式

  • 一台主机连接了若干个终端；每个终端有一个用户在使用；
  • 交互式的向系统提出命令请求；
  • 系统接受每个用户的命令采用时间片轮转方式处理服务请求并通过交互方式在终端上向用户显示结果，用户根据上步结果发出下道命令。

• 关键问题:

  • 及时接收
  • 及时处理
    • 作业直接进入内存，在内存才能处理；
    • 采用轮转运行方式。
      • 不允许一个作业长期占用处理机；
      • 规定每个作业只能运行很短的时间，使每个用户及时与自己的作业交互，从而用户请求得到及时响应。

• 特点

  • 多路性：即同时性（宏观的同时）
  • 交互性
  • 独立性：用户好像独占主机
  • 及时性

实时操作系统

• 定义

  是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

• 实时系统与分时系统特征的比较

  • 多路性
  • 独立性
  • 及时性
  • 交互性
  • 可靠性

操作系统的基本特性

• 并发性
  • 间断性
  • 失去封闭性
  • 不可再现性
• 共享性
  • 互斥共享（临界资源）
  • 同时访问（eg：同时读磁盘）
• 虚拟技术
  • 时分复用技术
    • 虚拟处理机技术
    • 虚拟设备技术
  • 空分复用技术
    • 虚拟磁盘技术
    • 虚拟存储器技术（内存）
• 异步性

OS 结构设计

• 无结构 OS

• 模块化 OS

• 分层式 OS

• 微内核 OS

  • 微内核技术：是指精心设计的、能实现现代操作系统核心功能的小型内核，运行在核心态，开机后常驻内存。
  • 常驻内存的好处：因为 CPU 只访问内存，速度快、效率高。
  • 微内核 OS 优点：
    • 提高系统的可扩展性
    • 增强系统的可靠性
    • 可移植性强
    • 提供对分布式系统的支持
    • 融入面向对象技术