第一章 操作系统引论－－笔记

本系列博文是西安电子科技大学出版社出版的《计算机操作系统》（第三版）汤小丹 梁红兵 哲凤屏 汤子瀛 一书的读书笔记

特此注明为读书笔记，若有侵权，敬请通知本人

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1.1操作系统的目标和作用

1.1.1 操作系统的目标

1. 有效性:

（1）提高了系统资源利用率，如使空闲的CPU和I/O保持忙碌状态，有效的内存分配策略节省存储空间等

（2）提高了系统的吞吐量

2. 方便性:    便于使用，如引入GUI操作界面

3. 可扩展性: 能适应于不同的计算机硬件、体系结构

4. 开放性: 遵循开放系统互联(OSI) 的标准，兼容软硬件，方便实现计算机互联

1.1.2 操作系统的作用

1. 用户和硬件间的接口：（1）命令方式 （2）图形界面方式（3）系统调用（在应用程序中）

2. 管理计算机资源：如内存的分配与回收、CPU管理、I/O管理、文件管理等等

3. 抽象计算机系统资源：隐藏计算机硬件的细节，向上提供高级抽象

1.1.3 发展动力

1. 对计算机资源利用率的追求：如能提高I/O设备和CPU利用率的SPOOLing系统，提高存储器系统利用率的虚拟存储技术

2. 方便用户

3. 硬件的更新迭代

4. 计算机体系结构的发展

1.2 操作系统的发展过程

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 无操作系统的计算机操作系统

问题：CPU和I/O之间速度鸿沟太大，CPU的空闲率高

解决方法：脱机输入输出技术（Off-Line I/O）

优点：

（1）减少了主机CPU的空闲时间（外围机完成了输入输出设备和磁盘的连接）

（2）提高了I/O的速度，CPU在运行中需要数据的时候，可以从高速的磁带/磁盘中将数据调入内存

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 单道批处理系统

相比”无操作系统的计算机操作系统“多了一个监督程序（Monitor）

（1）自动性

（2）顺序性

（3）单道性（内存中仅有一道程序在运行）

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 多道批处理系统

精髓：由调度算法从队列中选取若干作业调入内存，共享CPU等系统资源

好处：

（1）资源利用率高（CPU、内存、I/O）

（2）吞吐量大

坏处：

（1）平均周转时间长（作业仍需要排队，比如就算A申请I/O中断了，CPU也会先跑B，不会跑C）

（2）无交互能力（提交后，直到其完成）

要解决的问题：处理器、内存、文件、I/O、作业的管理问题

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 分时系统

精髓：一主机，多终端共享资源，时间片

要解决的问题：及时接收，及时处理（重要，影响人机交互体验）

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 实时系统

精髓：系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成处理。相比分时系统更强调“可靠性”，不能有差错。

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微机操作系统的发展

1. 单用户单任务操作系统：一次一个用户，一次一个程序，例：MS-DOS

2. 单用户多任务操作系统：一次一个用户，若干程序并发执行，例：windows

3. 多用户多任务操作系统：多个用户终端连接一个主机，每个用户有若干程序。每个用户被分配时间片，在自己的时间片中，用户                                              程序并发执行，例：UNIX

1.3 操作系统的基本特性

1.3.1 并发性

1. 并行、并发

并行：多个事件在同一时刻发生；并发：多个事件在同一个时间段内发生（一个时刻仍只允许发生一个事件）

只有在多处理器架构上，才有并行。

2. 进程

为什么引入进程：为了并发。如果没有并发，程序是一个执行单元，要么做完，要么一点也不做，就变成单任务了。多个进程之间可以并发执行、交换信息

3. 线程

进程拥有自己的资源，调度的时候有一定开销。为什么引入线程：为减少调度开销，提高并发度。一个进程有多个线程，它们共享这个进程的资源。结果：进程是分配资源的基本单位；线程是运行和调度的基本单位。

1.3.2 共享性

概念：系统资源供多个在内存中的并发执行的进程共享

实现方式：

1. 互斥共享 

2. 同时访问（单处理器上同时间段，不同时刻访问；多处理器上可以实现同时刻访问（真正的同时））

1.3.3 虚拟技术

概念：使一个物理实体对应多个逻辑实体

1. 时分复用技术

1）虚拟处理器技术（分时间片供多个用户使用，就好像感觉每个用户都有一个处理器为它们服务一样）

2）虚拟设备技术（比如打印机）

2. 空分复用技术

1）虚拟磁盘技术（一个盘片分成几个卷，如windows上面的C、D、E盘等）

2）虚拟存储器技术（在逻辑上扩大存储器容量，后面在将存储器一章的时候，会详细介绍）

1.3.4 异步性

内存中有各种作业，处理器密集型的，I/O密集型的。由于各种原因，进程完成的时间是不可预知的，这就是进程的异步性。

1.4 操作系统的主要功能

1.4.1 处理器的功能

1. 进程控制

主要功能：创建，撤销，终止进程；控制进程运行中的状态转化；为进程创建，撤销，终止线程

2. 进程同步

主要功能：协调多个进程（含线程）的运行

两种方式：

（1）进程互斥

（2）进程同步

实现方法：最简单：锁，最常用：信号量

3. 进程通信

相互合作的进程之间需要交换信息

4. 调度

（1）作业调度

从后备作业队列中，按算法选出若干作业，调入内存，建立进程，按算法插入就绪进程队列

（2）进程调度

从就绪进程队列中，按算法选出一个进程（一个处理器上），分配处理器，保存上下文信息，执行。

（另外，如果是在 “线程作为运行和调度的基本单位” 的多线程OS中，就把上面的“进程”换成线程就好了。）

1.4.2 存储器管理功能

1. 内存分配

作用：为要运行的程序分配内存空间。

分类：

           静态内存分配：作业的内存空间在装入时已确定，不得更改；也不准作业在内存中移动

           动态内存分配：装入时有一个大概的基本空间，后面可以再申请；允许作业在内存中移动

2. 内存保护

作用：确保程序都只在自己的那块内存中运行

实现：由硬件作越界检查，发现越界后与软件配合处理

3. 地址映射

作用：把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，让程序正确运行。

4. 内存扩充

作用：允许内存中有更多的程序并发执行

实质：用一些技术使内存能装入更多的程序来并发执行，实际上并没有提高内存的容量。

实现：

（1）请求调入功能：只装入程序的一部分和部分数据就可以让程序执行。运行到需要程序别的部分和新数据了，再叫OS从磁盘调入。

（2）置换功能：发现内存中没有足够空间来容纳需要调入的程序和数据了，叫OS看看能不能把内存中暂时不用的程序和数据调回磁盘去，腾出空间纳入亟需使用的程序和数据。

1.4.3 设备管理功能

1. 缓冲管理

2. 设备分配

3. 设备处理

1.4.4 文件管理功能

1. 存储空间管理

2. 目录管理

3. 读/写管理、保护

1.4.5 OS和用户间的接口

（1）用户接口（2）程序接口（系统调用）

1.5 OS结构设计

1.5.1 传统的操作系统结构

1. 无结构操作系统 ：适用于小系统，功能拓展起来，代码量一多就很难管理。

2.模块化操作系统 ：模块化，有助于系统拓展。但是模块化开发之间的顺序不确定－－无序性。

3. 分层式操作系统：改进模块化操作系统，使模块之间的开发有序，但是代价是降低系统的效率。

1.5.2 客户－服务器 模式

优点：

数据分布处理：不用全放在一个主机上、

灵活：改变一个客户机上的软件不会对其他的客户机和服务器造成影响

缺点：不可靠，一个服务器故障，导致多个客户机请求失败、布置格局费时－－服务器负荷太重，会增加响应时间

1.5.3 面向对象程序设计

特点：对象（模拟现实）－－易于理解、继承－－可扩展性、封装－－隐蔽性

1.5.4 微内核OS结构

1. 概念：

1）微内核足够小，仅实现与硬件相关的基本功能，作为基础。

2）基于“客户－服务器”模式。客户指用户进程，服务器指处理这个进程的服务器，如进程服务器。微内核是来调控它们的交互               的，仿佛独立于模式之外的“神之手”。

3）底层机制放在微内核中，高层的策略算法放在OS的其他部分。

4）也是使用面向对象技术编程的

2. 功能：

1）进/线程管理 2）低级存储器管理（硬件相关） 3）中断和陷入管理

3. 优点：

1）可扩展：OS中增加一个新的服务器，就方便地拥有新功能了。

2）可靠：有微内核的调控，客户进程或者服务器出问题了，也不会影响到别的部分

3）可移植：微内核和硬件相关，移植的时候基本只需改动微内核，而微内核代码量小，因此可移植性高。

4. 问题：

由于3优点中的2）可靠，意味着客户进程和服务器交互的时候，常常需经微内核调控，上下文切换成本高，系统运行效率受影响。