引论：
操作系统的目标和作用
操作系统（Operating System）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。其主要作用是管理好这些设备，提高他们的利用率和系统的吞吐量，并为用户和应用程序提供一个简短的接口，便于用户使用。
操作系统的目标：
在计算机系统上配置操作系统，其主要目标是：方便性、有效性、可扩充性和开放性。
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
- OS作为计算机系统资源的管理者
- OS实现了对计算机资源的抽象
操作系统的发展过程
未配置操作系统的计算机系统
- 人工操作方式
- 用户独占全机
- CPU等待人工操作
- 脱机输入/输出（Off-Line I/O)方式
- 减少了CPU空闲时间
- 提高了I/O速度
单道批处理系统
- 单道批处理系统（Simple Processing System）的处理过程
- 为实现对作业的连续处理，需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序（Monitor）在它的控制下啊，使这批作业能一个接一个的连续处理
- 单道批处理系统的去点
- 系统中的资源得不到充分的利用。这是因为在内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便处于等待状态，必须在其I/O完成后才继续运行。
多道批处理系统
用户所提交的作业现存放在外存上，并排成一个队列，称其为“后备队列”然后由作业调度程序按一定的算法，从后备队列中选择若干个作业调入内存，是它们共享CPU和系统中的各种资源。
优缺点：
- 资源利用率高
- 系统吞吐量大
- 平均周转时间长
- 无交互能力
多道批处理系统需要解决的问题：
- 处理机争用问题。既要满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率
- 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必要的内存空间。
- I/O设备分配问题。系统应采用适当的策略来分配系统中的I/O设备，以达到既方便用户对设备的使用，又能提高数据的安全性。
- 文件的组织和管理问题。 系统应能有效的组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。
- 作业管理问题。系统应能对系统中的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。
- 用户与系统的接口问题。应提供用户与OS之间的接口。
分时系统
分时系统是指在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端并由此所组成的系统，该系统允许多个用户同时通过自己的终端，以交互方式使用计算机，分享主机的资源。
推进分时系统形成和发展的主要动力，则是为了满足用户对人——机交互的需求。
在多道批处理系统中,用户无法与自己的作业进行交互的主要原因是:作业都先驻留在外存上,即使以后被调入内存,也要经过较长时间等待后才能运行.
实现分时系统的关键问题:
- 及时接收
- 及时处理
- 作业直接进入内存
- 采用轮转运行方式(引入时间片的概念)
分时系统的特征
- 多路性
- 独立性
- 及时性
- 交互性
实时系统
实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求,在规定的事件内完成对该事件的处理,并控制所有的实时任务协调一致的运行.
实时系统的类型:
- 工业控制系统
- 信息查询系统
- 多媒体系统
- 嵌入式系统
实时系统的类型
- 周期性实时任务和非周期性实时任务.
- 周期性实时任务是指外部设备周期性地发出激励信号给计算机,要求它按指定周期循环执行,以便周期性地控制某外部设备
- 非周期性实时任务并无明显的周期性,但都必须练习这一个截止时间或称为最后期限.
- 开始截止时间,指某任务在某时间以前必须开始执行
- 完成截至时间,指某任务在某时间以前必须完成
- 硬实时任务和软实时任务
- 硬实时任务是指系统必须满足任务对截止时间的要求,否则可能出现难以预测的后果
- 软实时任务也联系一个截止时间但并不严格,错过对系统的影响不大.
实时系统较分时系统特征比较,更加可靠.
操作系统的基本特性
并发
正是系统中的程序能并发这一特征,才使得OS能有效地提高系统中的资源利用
并行与并发
并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生,并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生.在多道程序环境下,并发性是指在一段时间内宏观上由多个程序在同时运行,但在单处理机系统中每一时刻却仅有一道程序执行.
引入进程
进程,是指程序在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,他是由一组机器指令,数据和堆栈等组成的.
在为计算程序和I/O程序分别建立一个进程后,这两个进程便可并发执行,这样能极大地提到系统资源利用率,增加系统的吞吐量.
共享
在OS环境下的资源共享或称为资源复用,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行等待进程共同使用.这里在宏观上既限定了时间,也限定了地点.
- 互斥共享方式
- 系统中有一类资源 ( 临界资源 ) 可以提供给多个进程(线程)使用,但应规定在一段时间内,只允许一个进程访问该资源.为此,在系统中应建立一种机制,以保证多个进程对这类资源 (临界资源) 的互斥访问
- 同时访问方式
- 系统中还有另一类资源,允许在一段时间内由多个进程"同时"对他们进行访问.这里的"同时"在单处理机环境下是宏观意义的,在微观上这些进程对该资源的访问是交替进行的.
并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征.他们有时护卫存在的条件.即一方面资源共享;另一方面,若系统不能对资源共享实施有效管理,已协调好进程对共享资源的访问,也必然会影响到诸进程间并发执行的程度,甚至根本无法并发执行.
虚拟
在OS中,把通过某种技术将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物的功能成为"虚拟"
时分复用技术
利用某设备为一用户服务的空闲时间,又转去为其他用户服务.
- 虚拟处理机技术
- 虚拟设备技术
空分复用技术
将空间分块用,平均利用空间.
空分复用技术,是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,以此来提高内存的利用率
异步
由于各用户程序性能的不同,比如有的侧重于计算而较少需要I/O ;而有的程序其计算少而I/O多,这样很可能是先进入内存的作业后完成,而后进入内存的作业先完成.或者说,进程是以人们不可预知的速度向前推进的,此即进程的异步性.
操作系统的主要功能
处理机管理功能
在传统的多道程序系统中,处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的,因而对处理及的管理可归结为对进程的管理. 处理机管理的主要功能有:创建和撤销进程;对诸进程的运行进行协调;实现进程之间的信息交换;以及按照一定算法把处理机分配给进程
进程控制
在多道程序环境下为使作业并发执行,必须为每道作业创建一个或几个进程,并为之分配必要的资源.当进程结束时,应立即撤销该进程,以便能及时回收该进程所占用的各类资源,供其他进程使用.
进程控制的主要功能也就是为作业创建进程,撤销(终止)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
为使多个进程能有条不紊的运行,系统中必须设置相应的进程同步机制.该机制的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调.常用的协调方式有两种:
- 进程互斥方式
- 进程同步方式
进程通信
当有一组相互合作的进程去完成一个共同的任务时,在他们之间往往需要交换信息.
通常在他们之间采用直接通信方式,即由源进程利用发送命令直接将消息挂到消息队列上,以后由目标进程利用接受命令从其消息队列中去除消息.
调度
- 作业调度
- 作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定的算法选择若干个作业,为他们分配运行所需的资源,将这些作业调入内存后,分别为他们建立进程,使它们都成为可能获得处理机的就绪进程,并将它们插入到就绪队列中
- 进程调度
- 进程调度的任务临时从进程的就绪队列中按照一定的算法学出一个进程将处理机分配给它,并为它设置运行现场,使其投入执行.