计算机操作系统 第一章笔记

1、第一章操作系统引论1.1操作系统的目标和作用操作系统的目标：方便性有效性：提高系统资源利用率，提高系统的吞吐量可扩充性：应采用新的OS结构:入位内核结构，客户/服务器模式）开放性操作系统的作用:作为用户与计算机硬件系统之间的接口用户通过OS来使用计算机系统）命令方式系统调用方式图形窗口方式作为计算机系统资源的管理者处理器管理用于分配和控制处理机存储器管理:主要负责内存的分配和回收I/O设备管理:负责I/O设备的分配与操纵文件管理:负责文件的存取,共享和保护实现了对计算机资源的抽象OS是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，他们不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细 节，有他们实现了对计算

2、机硬件操作的多个层次的抽象推动操作系统发展的主要动力：不断提高计算机资源的利用率方便用户器件的不断更新换代计算机体系结构的不断发展1.2操作系统的发展无操作系统的计算机系统人工操作方式缺点）用户独占全机CPU等待人工操作脱机输入瀚出方式Off-Line I/优点）减少了 CPU的空闲时间提高了 I/O速度单道批处理系统Simple Batch Processing System单道批处理系统的特征：自动性，顺序性,单道性多道批处理系统Mult iprogrammed Batch Processing System好处提高CPU的利用率可提高内存和I/O设备利用率增加系统吞吐量多道批处理系统的优

3、缺点：资源利用率高系统吞吐量大:指系统在单位时间内所完成的总工作量帕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管理问题内存管理问题I/O设备管理问题文件管理问题作业管理问题操作系统：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4合分时系统 Time Sharing System满足用户的需求人机交互共享主机便于用户上机分时系统实现中的关键问题及时接收及时处理分时系统的特征多路性：每个用户作业轮流运行一个时间片多路性即同时性独立性:每个用户各占一个终端，彼此独立工作,互不干扰及时性：用户的请求能在很短的时间内获得响应交互性：用户可以请求系

4、统提供多方面的服务实时系统 Real Time System应用需求：实时控制，实时信息处理（飞机火车的订票系统）实时任务：周期性实时任务/非周期性实时任务，硬实时任务/软实时任务实时系统与分时系统特征的比较：多路性,独立性,即时性，交互性，可靠性微机操作系统的发展单用户单任务操作系统：CP/M, MS-DOS单用户多任务操作系统：Windows多用户多任务操作系统：Unix OS（Solaris OS, Linux OS）1.3操作系统的基本特性并发性并行与并发：相似又有区别的概念引入进程：为使多个程序能并发执行,系统必须为每个程序建立进程Process城市只在系统中能独立运行并作为资源分配

5、的基本单位，它由一组机器指令、数据和对栈等组成引入线程:作为独立运行和独立调度的基本单位共享性互斥共享方式：某些资源规定一段时间内只允许一个进程访问，叫做临界资源或者独占资源）同时访问方式：允许一段时间内有多个进程”同时”对它们进行访问）并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件虚拟技术：是指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操作系统通过两种方式实现虚拟技术时分复用技术：虚拟处理机技术：利用多道程序设计技术，把一台物理上的处理继续你为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一道程序虚拟设备技术：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，可使原来仅允

6、许在一段时间内有一个用户访问的设备即临界资源）变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备空分复用技术：在计算机中利用存储器的空闲空间提高存储空间的利用率虚拟磁盘技术：将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘虚拟存储器技术：虚拟存储技术在本质上就是使内存分时复用，是一道程序通过时分复用技术在远小于它 的内存空间中运行异步性Asynchronism :各用户程序是不可预知的，是以人们不可预知的速度向前推进1.4操作系统的主要功能处理机管理功能：对进程线程）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：为多个进程含线程）的运行进行协调进程互斥方式：诸进程线程）

7、对临界资源进行访问时 机制是为每个临界资源设置一把锁W）进程同步方式：在相互合作去完成共同任务的诸进程间机制是信号量机制）进程通信：多个进程相互合作去完成一个共同的任务调度：后备队列上等待的每个作业都需要经过调度才能执行作业调度：从后备队列中按照一定的算法，选择若干个作业，为它们分配运行所需的资源首先是分配资源）进程调度：从进程的就绪队列中按照一定的算法选出一个进程把处理及分配给它，使进程投入执行存储器管理功能：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能从逻辑上扩 充内存内存分配：为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”；提高存储器的利用率，以减少不可用的内

8、存空间； 允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要静态和动态两种分配方式）内存分配数据结构。该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间内存回收功能。系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求去完成系统的回收功能内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰；绝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它用户程序中去执行地址映射：将程序中地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址应在硬件的支持下完成） 内容扩充：并非是扩大物理内存

9、的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量内存扩充机制）请求调入功能：允许在装入一部分用户程序和数据的情况下便启动程序运行置换功能：内存中义乌足够的空间来装入需要调入的程序和数据时应能将内存中的一部分暂时不用的程序 和数据调之盘上，以腾出内存空间，然后再将所需调入的部分装入内存设备管理功能：完成用户进程提出的I/O请求;为用户进程分配器所需的I/O设备;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设备缓存管理：CPU运行的高速性和I/O低速性间的矛盾，严重降低了 CPU的利用率单缓冲机制,双缓冲机制） 设备分配：根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以

10、及按照某种设备的分配策略，为之分配其所需的 设备设备处理：实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出【/。命令，要求它完成指定的I/O 操作；反之，由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理文件管理功能：对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用,并保证文件的安全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存、 取速度目录管理：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，已实现方便的按名存取,还应能实现文 件共享文件的独泻管理和保护：文件的读泻管理：根据用户的请求，从外村中读取数据，或将数据

11、写入外存文件保护：存取控制功能防止未经核准的用户存取文件防止冒名顶替存取文件防止以不正确的方式使用文件操作系统与用户之间的接口：用户接口：给用户使用,用户可以通过该接口去的操作系统的服务联机用户接口：有一组操作命令及命令解释程序所组成脱机用户接口：为批处理作业的用户提供，由一组作业控制语言JCL组成图形用户接口:用户不必像使用命令接口那样去记住命令名及格式程序接口 :用户程序去的操作系统服务的唯一途径,由一组系统调用组成1.5 OS结构设计传统的操作系统结构：早期的无结构OS,模块化结构的OS,分层式结构的OS无结构操作系统：设计者只是把注意力放在功能的视线和获得高的效率上缺乏首尾一致的设计思

12、想模块化结构OS模块化程序设计技术的基本概念：基于”分解”和”模块化”原则来控制大型软件的复杂度模块的独立性：内聚性:模块内部各部分间联系的紧密程度；耦合度：模块间相互联系和相互影响的程度 优点：提高设计的正确性，可理解性和可维护性;增强OS的适应性；加速OS的开发过程缺点：对各模块间的接口规定很难满足在模块完成后对接口的实际需求分层式结构OS:将”决定顺序”的无序性变为有序性，引入了有序分层法，在目标系统An和裸机系统（宿主系 统）A0之间铺设若干个层次的软件，使An最终能在A0上运行（设计原则：每一步设计都是建立在可靠的基础上） 优点：以保证系统的正确性；易扩充和易维护性缺点：系统效率降低

13、了： OS没执行一个功能通常要自上而下的穿越多个层次无疑增加了系统的通信开销客户/服务器Client/Ser胰式组成：客户机，服务器和网路系统客户服务器之间的交互：1客户发送请求消息；2）服务器接收消息；3服务器回送消息；4客户机接收消息优点：当前分布式系统和网络环境下软件的主要工作模式数据的分布处理和存储便于集中管理灵活性和可扩充性：可以配置多种类型的客户机和服务器易于改编应用软件不足之处存在不可靠性和瓶颈问题：在系统仅有一个服务器时，一旦服务器故障,将导致整个网路瘫痪面想对象的程序设计面向对象技术的基本概念：基于”抽象”和”屏蔽”原则来控制大型软件的复杂度对象：利用被封装的数据结构变量）和

14、一组对它进行操作的过程方法）来标识系统中的某个对象对象类：一组大体相似的对象继承：父类和子类之间共享变量和方法的机制，该机之规定,子类自动继承父类中定义的变量和方法,并允许 子类在增加新的内容优点：1）通过”重用”提高产品质量和生产率；2）使系统具有更好的易修改性和易扩展性；3）更易于保证系统 的”正确性”和”可靠性”微内核OS结构Micro Kernel微内核操作系统的基本概念：分为微内核和多个服务器足够小的内核：最基本的部分：1实现与硬件紧密相关的处理；2）实现一些较基本的功能；3）负责客户和服 务器之间的通信基于客户/服务器模式：操作系统中最基本的部分放入内核中，绝大部分功能放在一组服务

15、器进程）中实现, 运行在用户态应用”机制与策略分离”原理：机制:实现某一功能的具体执行机构；策略：在机制的基础上,借助于某些参 数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标采用面向对象技术：基于面向对象技术中的抽象和隐蔽原则控制系统的复杂性，在进一步用对像,封 装和继承”等概念来确保操作系统的”正确性”，”可靠性”，”易修改性”，”易扩展性”等，并提高操作 系统的设计速度微内核的基本功能：采用”机制和策略分离”的原理，将机制部分，以及与硬件密切相关的部分放入微内核中 进程线程）管理:进程管理中设置的进程线程）优先级队列放入微内核中,如何确定优先级放入微内核外的 进程管理服务器低级存储器管理

16、:用于实现用户控件的逻辑地址变换为内存空间的物理地址的也表机制和地址变换机制，方攵 入微内核；实现虚拟存储其管理的策略,则包含应采取何种页面置换算法等，应放在微内核外的存储器管理 服务器中去实现中断和陷入处理：微内核的主要功能是捕获所发生的中断和陷入事件，并进行相应的前期处理，然后把有关 事件的信息转换成消息后，把它发给相关的服务器，由服务器根据中断或陷入的类型，调用相应的处理程序来 进行后期处理微内核操作系统的优点：建立在模块化，层次化机构的基础上，并采用了客户/服务器模式和面向对象程序设计技 术提高了系统的可扩展性一:可在操作系统中增加新的功能，还可修改原有功能，以及删除已过时的功能增强了系统的可靠性一:一是由于微内核是出于精心设计和严格测试的,融以确保其正确性，二是提供了规范而 精简的应用程序接口，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件可移植性:操作系统绝大部分（即