操作系统0-绪论
绪论
操作系统
操作系统：控制应用程序执行的程序，是应用程序和硬件之间的接口；
本课程默认单核单CPU；
操作系统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，以及方便用户使用的 **程序的集合 **；
- 内存管理；
- 处理机管理；
- 作业管理；
- I/O设备管理；
- 文件管理；
操作系统的设计目标
- 便利性：使计算机易于使用；
- 有效性：允许以更有效的方式使用计算机资源；
- 扩展能力：不妨碍服务的情况下，有效的开发测试和引进新功能；
操作系统的位置
作为用户/计算机接口
操作系统的服务
- 程序开发：提供一系列工具和服务（如编辑器和调试器）
- 程序运行：为用户处理调度问题，如加载到内存、初始化I/O 设备等
- I/O 设备访问：提供统一接口，隐藏具体的 I/O 操作指令
- 文件访问控制：屏蔽存储介质细节
- 系统访问：提供接口，防止未授权访问行为
- 错误检测和响应：软、硬件错误
- 日志：收集资源的利用率信息、监控性能特性
操作系统：资源管理者
- 资源管理者：控制数据的移动，存储和管理；
- 控制机制的特殊性：os同为一种程序，但是会转交控制权，必须依赖处理器才能恢复控制；
操作系统的发展过程
硬件升级+新设备出现+错误修复
串行处理
- 无操作系统；
- 操控控制台（显示灯，触发器，输入设备，打印机…）运行程序；
- 程序通过输入设备载入计算机；
- 用户按顺序访问计算机；
- 调度慢，启动时间长；
简单批处理
- 采用监控程序：对一批作业自动处理，内存中只能存在一道作业，作业自动续接，内存保护，定时器防止作业独占系统，拥有特权指令，允许中断；
- 处理器常处于空闲状态（I/O设备速度比处理器慢许多）；
- 拥有内核模式和用户模式
多批道处理系统
- 内存存放多个作业；
- 多个作业并发运行（并发：在某一时间切片内有多个作业运行，但某一时刻只有一个作业），可以显著提高系统资源的利用率；
- 作业调度系统负责作业的调度；
- 硬件支持：I/O中断，直接存储器访问；
- 多道性，调度性，无序性，无交互能力；
分时系统
- 采用多道程序处理多个作业，多个用户共享处理器，多个用户通过不同的终端同时访问系统；
- 多路性，独立性，及时性，交互性；
实时系统
系统能够（及时 即时 ）响应外部事件请求 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。
- 软实时系统：各个任务运行得越快越好，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。
- 硬实时系统：各任务不仅要执行无误而且要做到准时。
- 实时性、可靠性、多路性、独立性、交互性；
操作系统的主要功能
进程
进程：一个正在 执行 的程序，计算机中正在 运行 的程序的一个实例，可分配给处理器并由处理器 执行 的一个实体；
- 一段可执行的程序
- 程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓冲区等）
- 程序的执行上下文（进程状态）：操作系统用来 管理和控制进程所需的所有数据
设计协调不同活动的系统软件非常困难，为了解决上述问题，需要一种系统级的方法来监控和控制处理器上各种程序的执行;
以下是可能出现的问题：
- 不正确 的同步
- 失败的互斥
- 不确定的程序操作
- 死锁
下图是一种典型的进程实现方法：
内存管理
操作系统进行存储管理的任务如下：
- 进程隔离：每个进程拥有独立的地址空间，互不干扰；
- 自动分配和管理：动态分配，对程序员透明；
- 支持模块化：动态加载，销毁程序员定义的模块；
- 保护和访问控制：一个程序的存储空间不能被其他程序任意访问；
- 永久存储：关机后依然存储信息；
操作系统的存储管理由 文件系统和 虚拟内存 实现；
文件系统
文件是一个有名称的对象，是访问控制和保护的基本单元；
文件系统实现了长期存储；
虚拟内存
内存：一系列长度固定的帧组成，每个帧的大小与页面大小相同。对需要执行的程序，它的所有或部分页面必须在内存中；
磁盘：辅存（磁盘）可以容纳很多长度固定的页。用户程序由很多页组成，所有程序和操作系统的页都以文件的形式保存在磁盘上。
- 程序以 逻辑方式 访问存储器；
- 多作业同驻留内存；
- 每个作业部分驻留（主要）；
- 换入，换出机制；
虚拟内存寻址如下：
信息保护和安全
操作系统的典型安全问题：
- 可用性：保护系统不被中断运行
- 保密性：保证用户不能读取未授权访问的数据
- 数据完整性：保护数据不被未授权修改
- 可靠性：涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法性
调度和资源管理
操作系统的一个关键任务是管理各种可用资源（如内存空间、I/O设备和处理器等），并调度各种活动进程使用这些资源
- 公平性：所有参与竞争某一特定资源的进程都能几乎相等且公平地访问资源
- 有差别的响应性：区分进程类型且可动态调整
- 有效性：最大化吞吐量（并发）和最小化响应时间，需要找到平衡点以折中处理矛盾需求
操作系统的目标和功能
处理机管理
处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有
效的控制和管理；在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理；
- 进程控制：为作业创建进程，撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换；
- 进程同步：对诸进程的运行进行协调，包括进程互斥与进程同步
- 进程通信：实现相互合作进程之间的信息交换，包括直接通信与间接通信；
- 调度：按照一定的算法对作业与进程进行调度。
存储器管理
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，方
便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及从逻辑上来扩充
内存。- 内存分配：为每道作业分配内存空间，使它们“各得其所”，提高存储器利用率，减少不可用的内存空间。
- 内存保护：确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行，互不干扰；
- 地址映射：将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中对应的物理地址；
- 内存扩充：借助虚拟技术，从逻辑上扩充内存容量；
设备管理
设备管理的主要任务，是完成用户提出的I/O请求，为用户分配
I/O设备；提高CPU和I/O设备利用率；提高I/O速度以及方便用户
使用I/O设备；- 缓冲管理：管理好各种类型的缓冲区，以缓和CPU与I/O速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的利用率。
- 设备分配：为用户分配其所需的设备。
- 设备处理又称设备驱动程序，实现CPU与设备控制器之间的通信。
文件管理
文件管理的主要任务，是完成实现文件的虚拟存取和高速存取，
方便用户访问文件、保存文件并维护其内容的完整性。- 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度。
- 目录管理：为每个文件建立其目录项，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。
- 文件的读/写管理和保护
命令接口
为了方便用户对计算机系统的使用与编程，操作系统向用户提供
了用户与操作系统的接口，简称用户接口- 命令接口：
- 用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行
- 按作业控制方式的不同，可以将命令接口分为联机命令
接口和脱机命令接口
- 程序接口
- 程序接口由一组系统调用命令组成
- 这组系统调用命令向系统提出各种服务请求，如使用各种外部设备，进行有关磁盘文件的操作，申请分配和收
回内存以及其他各种控制要求。
- 命令接口：
操作系统的基本特征
并发性
- 在多道程序环境下，同一时刻只能有一条指令执行；
- 但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的；
- 可以让CPU、I/O设备并行工作，提高资源利用率；
共享性
- 系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
- 临界资源：在一段时间内，只允许一个进程访问，必须互斥访问共享，比如打印机
- 非临界资源：在一段时间内，允许多个进程访问，允许同时访问共享，比如磁盘
虚拟性
- 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
- 时分复用：虚拟处理机，虚拟设备
- 空分复用：虚拟磁盘，虚拟内存
异步性
- 多道程序环境下，程序执行过程是异步的，这意味着何时执行，执行顺序，完成运行时间都将带来不确定性
- 不确定性不是指程序的执行结果
操作系统的体系结构
- 无结构
- 存在于早期的操作系统，侧重于功能实现和效率提高；
- 难以调试与维护，扩展性差；
- 模块化结构
- 按功能划分若干个模块，模块之间通过接口交互；
- 衡量标准：内聚性，耦合度；
- OS设计正确性高，易于理解和维护；
- 接口间调用关系变得复杂可能导致耦合度降低，模块之间存在复杂的依赖关系
- 分层式结构
- 按功能图的调用顺序等原则划分为若干层；每层只能使用其下层提供的服务；每层对其上层隐藏其下层的存在；
- 易于保证系统的正确性，易于维护理解和维护，易于扩充；
- 微内核结构
- 机制，策略分离：基于优先级的进程调度中，选择进程，为之分配处理机，属于机制；为每个进程设置优先级属于策略；
- 微内核基本功能：进程管理，低级存储器管理，中断和陷入处理；
- 优点：提高了可扩展性，可靠性，可移植性，提供了分布式系统的支持；
- 缺点：运行效率有所降低，因为消息传递机制和模式切换会带来开销；