现代操作系统（1.引论）

前言

本文是结合《现代操作系统》（Andrew S. Tanenbaum著）的摘要与上课ppt的笔记，自用。

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第一章：引论

任务核心：存储+cpu（任务执行性能与内存大小是一个log型函数）

文件从使用角度区分：
①程序类文件
②数据类文件
（用例：播放器播放视频；视频是数据文件、播放器是程序文件）

格式化是指装上文件管理系统，不同操作系统会影响管理系统
cpu多核：有多个控制单元与执行单元

多数计算机有两种运行模式：
①内核态；
②用户态

软件中最基础的部分是操作系统，它运行在内核态（也称为管态、核心态）。操作系统具有对所有硬件的完全访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在用户态，用户态只使用了机器指令中的一个子集（那些会影响机器的控制或可进行I/O操作的指令，在用户态中的程序里是禁止的）

1.1 什么是操作系统

操作系统：是运行在内核态的一种软件，其任务是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理刚刚提到的所有设备，是一个硬件设备的扩展。

• 用户与之交互的程序，基于文本的称为shell；
• 基于图标的称为图形用户界面（GUI）

操作系统功能：

• 机器扩展：屏蔽接口之间的差异以支持多种设备，为开发者提供一个标准的接口。
• 有效分配资源：执行用户需要
• 管理资源：①管理cpu；②管理主存；③管理文件；④管理其他设备的通信

1.1.1 作为扩展机器的操作系统

所有的操作系统都提供使用硬盘的又一层抽象：文件。

1.1.2 作为资源管理者的操作系统

资源管理包括用以下两种不同方式实现多路复用（共享）资源：在时间上复用和空间上复用。

1.2 操作系统的历史

硬件性能的发展，网络的发展
计算机的发展历程：

• 脱机：输入、运行、输出完全分割，分别作用于不同的设备
• 联机：终端和主机连接，通过网络方式连接，缺点在于：当某一个终端想要使用主机时，必须等待当前终端执行结束，串行执行浪费大量计算资源
• 假脱机：在一定时间期限内收集所有的输入请求，再进行处理

1.2.1 第一代（1945~1955）：真空管和穿孔卡片

1 .2.2 第二代（1955~1965）：晶体管和批处理系统

1.2.3 第三代（1965~1980）：继承电路和多道程序设计

1.2.4 第四代（1980至今）：个人计算机

个人操作系统：主动访问方式，同时只允许一个用户登录
服务器操作系统：允许多个用户同时登录，对于并发情况的处理更严格

1.2.5 第五代（1990至今）：移动计算机

移动计算机类型：

• 移动端：能源问题（电池）使得性能部分放弃；散热问题限制芯片大小
• 台式机

操作系统随之发展的四个阶段：

• 1.手工阶段
  联机方式：上机前需预约，操作者与程序员需再现场，输入输出依靠纸带机在纸带上打孔，上机时间较长。
  脱机方式：程序运行时，程序员可以不在现场，由操作员完成操作。
• 2.批处理系统
  由常驻内存的监控程序实现作业之间的转换自动化，监督计算机运行情况。依赖磁带技术、卫星机、纸带、磁带。
  单道批处理系统，主要特征:顺序性，自动性，单道性。系统吞吐量低，无交互。
  多道批处理系统，主要特征：多道程序宏观上并行，微观上串行。提高了系统吞吐量和资源利用率，但是用户响应时间较长，也不提供交互。
  前台任务优先级>后台任务
• 3.分时操作系统
  分时操作系统，具有同时性，交互性，独立性，和及时性。能够对用户进行及时响应。解决了人机交互问题，但不能在规定时间内做出处理于是有了实时操作系统。
• 4.实时操作系统
  主要特点是及时性和可靠性，能够违反时间规定在规定的时间内响应。

1.3 计算机硬件简介

1.3.1 处理器

cpu中断称为陷阱
cpu性能受元器件个数的影响，元器件个数影响散热和电磁干扰，所以cpu多核的发展仍有瓶颈。

cpu的两种模式：内核态（执行指令）与用户态（执行用户程序）

cpu=控制单元+运算单元+存储单元。
控制单元

• 流水线方式：取一条指令，分配运行单元，执行完后再取指令
• 超标量运算：cpu原为单核，但有多个运算器，不同运算器可以同时执行不同的指令，使得单核cpu支持指令级并行的运算。

运算单元
存储单元

从计算机硬件角度看cpu是一个独占资源；从用户使用角度因为不同时间段执行不同任务需求，也可以看作是共享资源

1.3.2 存储器

任务执行性能与内存大小是一个log型函数；
内存是独占资源，而存储的数据在权限的设置下可以成为共享资源；
内存小速度快

1.3.3 磁盘

• 硬盘是磁盘的一种；

• 硬盘把数据调到硬盘缓存，内存从硬盘缓存读数据，然后传输到cpu的缓存，cpu从多级缓存中读数据，内存就是一个数据中转站，因为cpu读取速度远远大于硬盘，内存的速度是很快的，通过内存这个桥梁来提高cpu读取数据的速度。

• 缓冲区（硬盘）：输入缓冲区与输出缓冲器保证了并行任务实现的功能，cpu不必一直等待，当数据在输入点准备好，由相应的管理系统运行准备好的数据（作业）

• 数据输出汇总到输出点，但只有到用户收到所有数据才叫作业完成。

• 缓存是一个共享空间

• 内存与外存的交互通过外部排序实现

• 外存容量大速度低

1.3.4 I/O设备

输出设备：显示器
I/O设备是必须设备

1.3.5 总线

总线是独占资源，因为传输数据过程不可打断
总线类型：

• 数据总线；
• 地址总线；
• 控制总线

1.3.6 启动计算机

cpu中断
其他中断：执行下一条指令

1.4 操作系统大观园

1.4.1 大型机操作系统

用于大型操作系统主要面向多个作业的同时处理，多数这样的作业需要巨大的I/O能力。

1.4.2 服务器操作系统

服务器操作系统在服务器上运行，通过网络同时为若干个用户服务，并且允许用户共享硬件和软件资源。

1.4.3 多处理器操作系统

获得大量联合计算能力的常用方式是将CPU连接成单个的系统。依据连接和共享方式的不同这些系统被称为并行计算机，多计算机或多处理器。

1.4.4 个人计算机操作系统

现代个人计算机操作系统都支持多道程序处理，在启动时，通常有几十个程序开始运行。他们的功能是为单个用户提供良好的支持。

1.4.5 掌上计算机操作系统

掌上计算机或PDA是一种可以握在手中操作的小型计算机（eg：平板电脑、智能手机）

1.4.6 嵌入式操作系统

嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行，这种设备不是一般意义的计算机，并且不允许用户安装软件，例如：微波炉、电视机

1.4.7 传感器节点操作系统

传感器是一种内建有无线电的电池驱动的小型计算机，节点相互连接形成网络，可以彼此通信。

1.4.8 实时操作系统

这些系统的特征是将时间作为关键参数。

• 硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生
• 软实时系统：在这种系统中，虽然不希望偶尔违反最终实现，但仍可以接收，并且不会引起任何永久性地损害

1.4.9 智能卡操作系统

智能卡是一种包含一块CPU芯片的信用卡，它有非常严格的运行能耗和存储空间的限制

1.5 操作系统概念

1.5.1 进程

进程：本质上是正在执行的一个程序

进程表：将进程相关（除了该进程自身地址空间的内容）信息放在一个操作系统中的数组/链表结构中。每个进程占一项。

进程树：一个进程能够创建一个或多个进程（称为子进程），并且这些进程又可以创建子进程。

一个（挂起的）进程包含：

• 进程的地址空间
• 对应的进程表项（包括寄存器以及稍后重启动该进程所需要的许多其他信息）

1.5 2 地址空间

操作系统创建了一个地址空间的抽象，作为进程可以引用地址的集合。这样可以使得在内存中同时运行多道程序时，他们不会互相干扰。

1.5.3 文件

操作系统的一项主要功能是隐藏磁盘和其他I/O设备的细节特性，给提供程序员一个良好、清晰的独立于设备的抽象文件模型。

• 保存文件：以目录的形式保存；
  绝对路径：包含了根目录到该文件的所有目录清单，它们之间用正斜线隔开。
• 读写文件：先打开文件检查权限，再进行后续操作。
• 特殊文件：为了使I/O设备看起来像文件一般，使得I/O设备可以通过同样的系统调用进行读写
  - ①块特殊文件：指可以随机存取块组成的设备。
  - ②字符特殊文件：用于打印机等接收和输出字符流的设备

管道：是一种虚文件，可以连接两个进程；管理两个进程之间的数据传递或通信读写。

1.5.4 输入/输出

每个操作系统都有管理其I/O设备的I/O子系统。

1.5.5 保护

操作系统会管理系统的安全性，比如授予文件不同的访问权限

1.5.6 shell

UNIX的命令解释器，shell本身不是操作系统的一部分。

①：shell创建一个子进程，并运行data程序作为子进程。shell一直等待它结束后再显示提示符（可能是￥），等待下一次输入

data

②：将标准输入重定向到一个文件

data>file

③：调用sort程序，从file1中取得输入，再输出到file2

sortfile2

④：调用cat程序将三个程序进行合并，送到sort程序按字典序排序，sort输出重定向到dev/lp中（也就是打印机）

cat file1 file2 file3|sort>dev/lp

⑤：&结尾则shell不用等待该子进程结束，而是将其转到后台执行，从而允许用户执行新的任务。

cat file1 file2 file3|sort>dev/lp &

1.6 系统调用

操作系统有两种功能：

• 为用户程序提供抽象
• 管理计算机资源

cpu计算机一次只能执行一条指令。

以c程序进行的read系统调用为例：
count = read（fd，buffer，nbytes）

• fd：指定文件
• buffer：指向缓冲区中的存储地址，通过&buffer访问地址内容
• nbytes：说明要读出的字节数
• count：返回实际读出的字节数（一般≤nbytes）；如果参数无效或是磁盘发生错误，count会被置-1

1.6.1 用于进程管理的系统调用

涉及到fork（派生）相关内容，可以理解为父进程的数据被复制用以创建子进程，中途使用fork调用会返回一个值（在子进程中值为0，在父进程中等于子进程的进程标识符：PID）

1.7.1 单体系统

操作系统在内核态以单一程序的方式运行。整个操作系统以过程集合的方式编写，链接成一个大型可执行的二进制程序。
具体过程：

• 先编译所有单个的过程
• 通过系统链接程序将它们链接成单一的目标文件

1.7.2 层次式系统

THE操作系统的结构：

层号	功能
5	操作员
4	用户程序
3	输入/输出管理
2	操作员-进程通信
1	存储器和磁鼓管理
0	处理器分配和多道程序设计

1.7.3 微内核

在分层设计中，设计者要确定在哪里划分内核=用户的边界
微内核的设计思想：为了实现高可靠性，将操作系统划分为小的、良好定义的模块，只有其中一个模块——微内核——运行在内核态，其余的模块由于功能相对弱些，则作为普通用户进程运行。

1.7.4 客户端-服务器模式

将进程划分为两类：

• 服务器端——每个服务器提供某种服务
• 客户端——使用这些服务

1.7.5 虚拟机

用户在终端上进行交互的两种方式

• 以特殊文件
• 以地址/端口

操作系统的三种类别：

• 分时系统
• 实时系统
• 批处理系统：用于以运算为主的操作系统中，以假脱机的方式进行