第一章、操作系统引论
一、操作系统基础
1、操作系统的定义：
操作系统（Operating System, OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。
2、操作系统的目标： 方便、有效（提高系统资源的利用率，提高系统的吞吐量）、可扩充（模块化，层次化，微内核）、
开放
3、操作系统的作用：
做用户和计算机硬件系统之间的接口（命令，系统调用，图标-窗口），
管理资源（处理机，存储器，I/O设备，文件），
资源的抽象
4、操作系统发展动力：提高利用率、更加方便、应用需求/体系结构/
硬件不断发展
二 计算机发展史
1、无操作系统：
人工操作（用户独占全机、CPU等待人工操作、内存长期空闲），
脱机输入/输出（Off-Line I/O）（装好纸带再上机，节约CPU空间时间，提高I/O速度）
2、单道批处理系统：
有个监督程序将磁带上的作业调入计算机，缺点是I/O太慢了，CPU空闲
3、多批道处理系统：
描述：
作业放入外存，形成队列，间隔执行。
优点：资源利用率高，系统吞吐量大
缺点：平均周期长、无交互能力
存在问题：处理机，内存，I/O，文件，作业，接口
4、分时系统
描述：提供多个终端，多个用户使用，命令-反馈-命令第一章
优点：人机交互，多用户共享主机，
实际实现：
终端有缓冲区暂存用户命令，作业直接进入内存，时间片轮转方式（每个作业执行一个时间片，换下一个）
特征：多路性，独立性，及时性，交互性，
5、实时系统
描述：
及时响应，规定时间内完成，控制所以实时任务协调一致的运行
类型：工业（武器）控制系统、信息查询系统、多媒体系统、嵌入式系统
实时任务的类型：周期性实时（指定周期）和非周期实时（开始截至和完成截止），硬实时（工业和武器，必须按时）和软实时（偶尔错，信息查询和多媒体）
和分时系统比较：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
6、微机时代
a、单用户单任务：一个用户，执行一个任务8位机。CP/M，16位机MS-DOS
b、单用户多任务：一个用户，并发执行多个任务。Windows
c、多用户多任务：多个用户共享主机，并发执行多个任务。Unix、Solaris、Linux
三、操作系统的基本特征
1、并发
a、并发和并行宏观上一样
并发：两个或多个事件在
同一时间间隔内发生。单处理机系统，微观上交替运行
并行：两个或多个事件在
同一时刻发生。 多处理机系统，微观上同时运行
b、进入进程
进程：
在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，由机器指令、数据和堆栈组成，是独立运行的活动实体。
多个进程之间可以并发执行和交换信息
2、共享
概念：
系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
a
.互斥共享方式
描述：提出申请，资源空闲使用，不然等待
例子：打印机、磁带机等临界资源（同一时间只允许一个进程访问）
b
.同时访问方式
描述：
允许多个进程“同时”访问，微观还是交替进行
例子：磁盘设备
共享以进程的并发为条件，系统不能对共享有效管理，影响进程的并发
3、虚拟
概念：通过某种技术让一个物理实体变成若干逻辑上的对应物的功能。（虚拟处理机，虚拟内存，虚拟外部设备，虚拟信道）（多重影分身之术）
a.时分复用技术
描述：利用某设备为一用户服务的空闲时间，为其他用户服务，使设备得到最充分的利用
虚拟处理机技术：利用多道程序设计，每个程序至少一个进程，让多道程序并发
虚拟设备技术：将I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备
平均速度<=1/N
b.空分复用技术
描述：
利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此提高内存的利用率
虚拟存储技术：通过分时复用内存，100M的程序运行在30M内存中，各部分分时进入内存运行
空间占用<=1/N
4、异步
描述：就是为了让进程更好的并发，系统会分配进程的执行顺序（走走停停）
四、操作系统的主要功能
处理机管理，存储器管理，I/O设备管理，文件管理，提供接口
1、处理机管理
a.进程控制：为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行中的状态转换
b
.进程同步：为多个进程（含线程）的运行进行协调（进程互斥方式，进程同步方式）
c.进程通信：实现相互合作进程之间的信息交换
d.调度：作业调度（从后备队列选出作业，创建进程，插入就绪队列）和进程调度（从进程的就绪队列选出进程分配处理机，投入执行）
2、存储器管理
内存分配和回收、内存保护、地址映射、内存扩充
a.
内存分配：
任务：分配空间，减少碎片内存，追加内存空间
实现：静态分配，装入内存时确定，不允许追加，不允许移动；动态分配，装入内存时确定，可以追加和移动
b.内存保护
任务：在自己空间运行，互不干扰；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执行
内存保护机制：设置两个界限寄存器（上界和下界），对每条指令要访问的地址进行检查，如果越界就停止该程序
c.
地址映射
任务：将地址空间中的
逻辑地址转为内存空间的
物理地址。在硬件的支持下完成
d
.内存扩充
任务：用虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量
内存扩充机制：
请求调入（装入
部分用户程序和数据就能启动程序，后续再将其他部分调入内存），
置换（若内存不够，将暂时不用的程序和数据
调至硬盘）
3、设备管理
任务1：完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作
任务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
缓冲管理，设备分配，设备处理，虚拟设备
a.缓冲管理
作用：有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高了CPU的利用率，进而提高系统吞吐量
手段：
在内存中设置缓冲区，增加缓冲区容量
缓冲区机制：单缓冲，双缓冲（能实现双向同时传送数据），公用缓冲池（能供多个设备同时使用）
b.设备分配
任务：根据用户进程的I/O请求。系统现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配所需的设备
手段：系统中设置
设备控制表、
控制器控制表等数据结构，用以记录设备及控制器等标识符和状态。根据这些表就能知道指定设备是否可用，是否忙碌。
针对不同的设备类型采用不同的设备分配方式。对
独占设备的分配还应考虑分配出去后系统
是否安全。
c.设备处理
任务：
用于实现CPU和设备控制器之间的通信（CPU向设备控制器发出I/O命令，要求他完成指定的I/O操作；CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和处理）
处理过程：检查I/O请求的合法性、设备状态是否空闲，读取有关参数、设置设备的工作方式，然后向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备完成指定的I/O操作。
4、文件管理
任务：对用户文件和系统文件进行管理以便用户使用，并保证文件的安全性
文件存储空间的管理，目录管理，文件的读写管理，文件的共享和保护
a.文件存储空间的管理
背景：多用户环境，用户自己管理文件存储，困难且低效
任务1：为每个文件
分配额外的外存空间，
提高外存利用率，进而提高存取速度
任务2：设置相应的数据结构，记录文件存储空间使用情况，以供分配时参考
任务3：分配和回收存储空间
b.目录管理
为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系统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。由若干个目录项又可构成一个目录文件
任务1：为每个文件建立一个目录项，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（即用户只需提供文件名，就能对该文件进行存取）
任务2：实现文件共享，只需在外存保留一份该共享文件的副本
任务3：提供快速的
目录查询手段，以提高对文件的检索速度
c.文件读写管理
任务：根据用户的请求，从
外存读取数据或将
数据写入外存
过程：根据文件名检索文件目录获得外存地址，利用读写指针对文件进行读写，然后修改读写指针，等待下一次读写。读写不会同时进行，所以共用一个指针
d.文件保护
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
5、操作系统与用户间的接口
a.用户接口
描述：方便用户直接或间接地控制自己的作业
1、联机用户接口：由
一组键盘操作命令及命令解释程序组成。
用户通过先后键入不同的命令来实现对作业的控制。
2、脱机用户接口：为
批处理作业的用户提供，由
作业控制语言JCL组成。用户把
对作业进行控制和干预的命令写在作业说明书中，和
作业一起提供给系统。
调用命令解释程序按照说明书执行，遇到作业结束语句停止。
3、图形用户接口：把各项功能、应用等封装成图标，选种图标即可执行相应操作。
b.程序接口：
描述：为用户程序在执行中访问系统资源而设置，是用户取得操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求OS提供某种功能时，便调用具有相应功能的系统调用
第二章 进程的描述和控制
一、进程的基本概念
程序有顺序执行和并发执行
顺序执行：单道批处理系统，用户独占资源
并发执行：多道程序系统，多道程序并发执行，共享资源，引入进程的概念
1、程序的顺序执行及其特征
仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。S1: a∶=x+y; S2: b∶=a-5; S3: c∶=b+1;
在进行计算时，总须先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后才能打印计算结果。
