操作系統(tǒng)2016

1、1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)第第1章章 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)概述2目目 錄錄l1.1 什么是操作系統(tǒng)l1.2 操作系統(tǒng)發(fā)展歷史l1.3 操作系統(tǒng)主要功能l1.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l1.5 操作系統(tǒng)的特征l1.6 兩大操作系統(tǒng)介紹31.1 什么是操作系統(tǒng) l操作系統(tǒng)，是計算機系統(tǒng)中最基本、最重要的系統(tǒng)軟件，是其它軟件的支撐軟件。它控制和管理計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，合理的組織計算機工作流程，并為用戶使用計算機提供公共的和基本的服務(wù)。 l兩個主要目標(biāo)： l1.高效性：操作系統(tǒng)允許以更加高效的方式使用計算機系統(tǒng)資源。l2.方便性：操作系統(tǒng)使得用戶使用計算機更加方便。 41.1.1 計算機系統(tǒng)組成 l

2、目前，計算機采用的都是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，一臺計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出五大部件組成。l運算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）：進行算術(shù)、邏輯運算，并能暫存運算結(jié)果的部件。l控制器（CU，Control Unit）：控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行及處理運算結(jié)果的部件。l存儲器（Memory）：用于存放數(shù)據(jù)和程序。l輸入/輸出設(shè)備（I/O）：用于實現(xiàn)將人們熟悉的信息形式與機器能識別的信息形式之間的相互轉(zhuǎn)換。l系統(tǒng)總線（Bus）：連接計算機各模塊并為其通信提供服務(wù)。51.1.1 計算機系統(tǒng)組成 61.1.1 計算機系統(tǒng)組成 l運算器和控制器被合在一起統(tǒng)稱為中央

3、處理單元（CPU，Central Process Unit）。 l存儲器則由一系列存儲單元組成，這些單元由順序編號的地址定義。 lCPU執(zhí)行的程序是由一組保存在存儲器中的指令組成。l指令的處理，簡單來說包括兩個步驟：取指令和執(zhí)行指令。 71.1.2 操作系統(tǒng)與計算機系統(tǒng) l早期的計算機上配置的操作系統(tǒng)是單用戶操作系統(tǒng)，這樣的操作系統(tǒng)只允許一個用戶使用計算機，用戶獨占計算機系統(tǒng)的各種資源，整個系統(tǒng)為用戶的程序運行提供服務(wù)。 l為了解決這一問題，提高系統(tǒng)資源利用率，人們研究并實現(xiàn)了一系列新的軟件技術(shù)，如多道程序設(shè)計技術(shù)、分時技術(shù)、多任務(wù)控制和協(xié)調(diào)、資源分配策略和處理機調(diào)度策略等。 81.1.2 操

4、作系統(tǒng)與計算機系統(tǒng) l但由于計算機系統(tǒng)的計算模型仍然是順序計算模型，其特點是集中順序過程控制，而操作系統(tǒng)的并行計算模型需要支持多用戶、多任務(wù)同時執(zhí)行，這就產(chǎn)生了一對矛盾，即硬件結(jié)構(gòu)的順序計算模型和操作系統(tǒng)的并行計算模型之間的矛盾。 l為了解決這一矛盾，單處理機的操作系統(tǒng)被設(shè)計得越來越復(fù)雜，且效果不一定很理想。在這種情況下，人們開始研究與并行計算模型相一致的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了多處理機系統(tǒng)、消息傳遞型多計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)等具有并行能力的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中最為常見的是多處理機系統(tǒng)中的多核計算模型。 91.1.2 操作系統(tǒng)與計算機系統(tǒng) l多核（multicore）是指將兩個或多個處理器組裝在同一

5、塊芯片上，故又名單芯片多處理器（chip multiprocessor）。 l一個典型的多核系統(tǒng)的例子是Intel的酷睿i7處理器。l四個x86處理器l每個處理器都有其專用的L2高速緩存l所有處理器共享一個L3高速緩存 101.2 操作系統(tǒng)發(fā)展歷史 l操作系統(tǒng)是由客觀的需要而產(chǎn)生的，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、計算機體系結(jié)構(gòu)的變化和計算機應(yīng)用的日益廣泛而不斷的發(fā)展和完善。了解這些年來操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史，有助于理解操作系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)計需求，也有助于理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征。 111.2.1 無操作系統(tǒng) l早期的計算機，20世紀40年代后期到50年代中期，處于電子管時代，沒有配備任何操作系統(tǒng)，程序員是

6、直接與計算機硬件打交道。 l程序員將事先已穿孔的紙帶（卡片）裝入紙帶輸入機（卡片輸入機），再啟動輸入機將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，然后啟動計算機進行運算。 l容易出現(xiàn)CPU、內(nèi)存等資源等待人工操作的現(xiàn)象，造成資源的浪費，嚴重降低了計算機資源的利用率，這就是所謂的“人機矛盾”。 l為了緩和這些矛盾，提高系統(tǒng)資源的利用率，20世紀50年代末期出現(xiàn)了脫機輸入/輸出（Off-Line I/O）技術(shù)。 121.2.2 單道批處理系統(tǒng) l20世紀50年代中期，人們開始用晶體管代替真空管來制造計算機。這使得計算機的體積大大減小，功耗顯著降低，同時可靠性和運算速度也得到了提升，但造價仍十分昂貴。為了能夠充分發(fā)揮計

7、算機的性能，通常是把一批作業(yè)以脫機的方式輸入到磁盤（磁帶）上，并為其配上監(jiān)控程序（Monitor），在它的控制下使得這批作業(yè)能夠一個接一個的連續(xù)處理。 131.2.2 單道批處理系統(tǒng) l第一個批處理操作系統(tǒng)，同時也是第一個操作系統(tǒng)，是由GM（General Motors，通用）為IBM 701開發(fā)的。l用戶不再直接和機器硬件打交道，而是把作業(yè)提交給計算機操作員，由操作員按順序把作業(yè)組織成一批，并將整批作業(yè)放在輸入設(shè)備上，供監(jiān)控程序使用。 l單道批處理系統(tǒng)具有自動性、順序性和單道性的特點，對磁盤（磁帶）上的作業(yè)能自動地逐個地依次執(zhí)行，提高的系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量 。141.2.3 多道批處

8、理系統(tǒng) l20世紀60年代中期，人們開始利用小規(guī)模集成電路來制造第三代計算機。 l多道程序設(shè)計技術(shù)的主要思想是在內(nèi)存中同時存放若干道用戶作業(yè)，并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源，當(dāng)一道程序因I/O請求而暫停執(zhí)行時，CPU便轉(zhuǎn)而執(zhí)行另外一道程序，由此形成了多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed Batch Processing System)。15t1t2t3t4t5t6t7t8結(jié)束中斷I/O 完成啟動 I/OI/O 中斷請求I/O 完成啟動 I/OI/O 中斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運行情況程 序 A程序A I/O 請求程序A I/O 完成程 序

9、B程序B I/O 請求程 序 C程序C I/O 請求程 序 D程序D I/O 請求C I/O 完成C 再 被 調(diào) 度程序B I/O 完成程序A再被調(diào)度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D調(diào) 度 程 序(b) 四 道 程 序 運 行 情 況A完成結(jié)束中斷161.2.3 多道批處理系統(tǒng) l多道批處理系統(tǒng)的特點如下：l多道性：計算機的主存中同時存放有多道相互獨立的程序。l宏觀上的并行性：在同一時間段內(nèi)，同時進入系統(tǒng)的多道程序都處于運行狀態(tài)。l微觀上的串行性：在某一時刻，CPU上只有一道程序在執(zhí)行，多道程序輪流或分時的占有CPU。171.2.4 分時系統(tǒng) l在分時系統(tǒng)中，多個用戶可以通過終端同時訪

10、問系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)控制每個用戶程序以很短的時間（稱之為“時間片”）為單位交替運行。 l最早的分時操作系統(tǒng)是由麻省理工學(xué)院（MIT）在1961年為IBM 709開發(fā)的兼容分時系統(tǒng)（Compatible Time-Sharing System， CTSS），后被移植到IBM 7094中。 181.2.4 分時系統(tǒng) l分時系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有明顯不同的特點：l交互性：用戶可以通過終端與系統(tǒng)直接進行對話。l及時性：用戶的請求能在人們所能接受的等待時間內(nèi)得到響應(yīng)。l獨立性：每個用戶獨占一個終端，彼此獨立，互不干擾，因此用戶感覺像是他一個人獨占主機。l多路性：允許在一臺主機上同時聯(lián)接多臺終端。宏

11、觀上，多個用戶同時工作，共享系統(tǒng)資源；微觀上，每個用戶程序輪流運行一個時間片。l批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著操作系統(tǒng)的形成。 191.2.5 實時系統(tǒng) l所謂實時，是指“立刻”、“馬上”的意思。l實時系統(tǒng)則要求系統(tǒng)對特定輸入做出反應(yīng)的速度足以控制發(fā)出實時信號的對象，或者說系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)和設(shè)備協(xié)調(diào)一致的工作。l按照實時系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將其分為兩大類： l實時控制系統(tǒng) l實時信息處理系統(tǒng) 201.2.5 實時系統(tǒng) l實時系統(tǒng)具有以下特點：l及時性l交互性l獨立性l多路性l高可靠性211.2.6 操作系統(tǒng)的進一步

12、發(fā)展 l 20世紀80年代以來，操作系統(tǒng)也得到了進一步的發(fā)展，出現(xiàn)了具有圖形用戶界面、功能強大的個人計算機操作系統(tǒng)；具有網(wǎng)絡(luò)資源共享、遠程通訊能力的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)；能使用多臺計算機來共同完成某一工作的多處理機操作系統(tǒng)；具有單一系統(tǒng)鏡像、分布處理能力的分布式操作系統(tǒng)以及分布式實時操作系統(tǒng)等。 l隨著計算機虛擬化技術(shù)的迅速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時代的到來，出現(xiàn)了一種構(gòu)架于服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)硬件資源和單機操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)軟件之上，用以管理海量的基礎(chǔ)硬件、軟件資源的云平臺綜合管理系統(tǒng)，稱之為云操作系統(tǒng)。 221.3 操作系統(tǒng)主要功能 l 操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是為多道程序提供良好的運行環(huán)境，并能最

13、大程度的提高系統(tǒng)中各種資源的利用率和方便用戶使用。為實現(xiàn)上述任務(wù)，操作系統(tǒng)應(yīng)具備：處理器管理、存儲管理、設(shè)備管理和文件管理的功能。為了方便用戶使用，操作系統(tǒng)還需向提供方便的用戶接口。 231.3.1 處理機管理 l進程控制l進程控制的基本功能是創(chuàng)建進程和撤銷進程，以及控制進程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。l進程同步l進程同步是指系統(tǒng)對并發(fā)執(zhí)行的進程進行協(xié)調(diào)，使它們能有條不紊的運行。l進程通信l進程通信是指相關(guān)進程之間的信息交換。l進程調(diào)度l進程調(diào)度是指按照一定的調(diào)度算法在等待執(zhí)行的進程中選出其中一個，并為其分配CPU、設(shè)置運行環(huán)境，使其投入運行。241.3.2 存儲管理 l內(nèi)存分配l內(nèi)存分配是為每道程序分配

14、必要的內(nèi)存空間，提高存儲器的利用率，減少空間浪費。操作系統(tǒng)在實現(xiàn)內(nèi)存分配時，可采取靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。l內(nèi)存保護l內(nèi)存保護的主要任務(wù)是確保每道程序都只在自己的內(nèi)存空間里運行，防止因一道程序的錯誤而干擾其它程序，也絕不允許用戶程序隨意訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)。l地址映射l地址映射的功能是為了把目標(biāo)程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成為內(nèi)存空間中的物理地址。l內(nèi)存擴充l內(nèi)存擴充是借助虛擬存儲技術(shù)，在不增加物理內(nèi)存空間的前提下，從邏輯上對內(nèi)存進行擴充，使系統(tǒng)能夠運行內(nèi)存需求量比實際內(nèi)存更大的作業(yè)，或是讓更多的作業(yè)能夠并發(fā)執(zhí)行。251.3.3 設(shè)備管理 l緩沖管理l緩沖是指在內(nèi)存中劃出來用作暫時存放信息的一部分區(qū)域

15、。在CPU和I/O設(shè)備之間設(shè)置緩沖區(qū)，則可以有效緩解速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，從而提高系統(tǒng)吞吐量。l設(shè)備分配l設(shè)備分配是指根據(jù)用戶所請求的設(shè)備類型、數(shù)量，按照一定的分配算法對設(shè)備進行分配。l設(shè)備處理l設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序，其基本任務(wù)是由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動指定的I/O設(shè)備、完成用戶規(guī)定的I/O操作，并對設(shè)備發(fā)來的中斷請求進行及時響應(yīng)和處理。l虛擬設(shè)備管理l虛擬設(shè)備也稱邏輯設(shè)備，是指操作系統(tǒng)通過設(shè)備虛擬技術(shù)，把每次僅供一個進程使用的獨享設(shè)備改造成能被多個用戶使用的設(shè)備。261.3.4 文件管理 l文件存儲空間管理l為了方便用戶使用，對于一些當(dāng)前需要使用的系

16、統(tǒng)文件和用戶文件，都必須放在可隨機存取的磁盤上。為此，必須由操作系統(tǒng)統(tǒng)一對文件的存儲空間進行管理，提高存儲空間的利用率，同時也提高文件系統(tǒng)的存取速度。l目錄管理l目錄又稱文件目錄，是用來描述系統(tǒng)中所有文件基本情況的一個表。為了使用戶能夠方便的在外存上找到自己所需的文件，系統(tǒng)會為每個文件建立一個目錄項。在不同的系統(tǒng)中，目錄有著不同的組織方式。l文件讀寫管理l對文件進行讀寫操作，是文件管理必須具備的最基本的操作。該功能可以根據(jù)用戶的請求，從外存指定區(qū)域把指定數(shù)量的信息讀入到內(nèi)存指定的用戶區(qū)或系統(tǒng)區(qū)，或?qū)⒅付〝?shù)量的信息從內(nèi)存寫入外存指定區(qū)域。l文件保護l為了防止系統(tǒng)中的文件被非法竊取和破壞，在文件系

17、統(tǒng)中必須提供有效的存取控制機制。l文件系統(tǒng)的安全性l文件系統(tǒng)的安全性是指文件系統(tǒng)避免因軟件或硬件故障而造成信息破壞的能力。271.3.5 用戶接口 l命令接口l為了便于用戶直接或間接控制自己的作業(yè)，操作系統(tǒng)向用戶提供了命令接口。用戶可以通過該接口向作業(yè)發(fā)出命令，以控制作業(yè)的運行。 l程序接口l該接口是為用戶程序在執(zhí)行過程中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)定的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑。程序接口是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每當(dāng)應(yīng)用程序要求操作系統(tǒng)提供某種類型的服務(wù)時，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。 l圖形接口l采用圖形化的操作界面，用非常容易識別的圖標(biāo)將系統(tǒng)的各種命令直觀、逼真的表示出來，用戶通過簡單的點

18、擊鼠標(biāo)，借助菜單、對話框，就可以完成對應(yīng)用程序和文件的操作，極大的方便了用戶的使用。281.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) l在操作系統(tǒng)的設(shè)計中，有4種設(shè)計方法：l單體結(jié)構(gòu)l模塊化結(jié)構(gòu)l可擴展內(nèi)核結(jié)構(gòu)l層次結(jié)構(gòu)291.4.1 單體結(jié)構(gòu)l在單體結(jié)構(gòu)中，操作系統(tǒng)是一組過程的集合，每一過程都有一個定義好的接口，包括入口參數(shù)和返回值。過程間可以相互調(diào)用而不受約束。l它的特點是操作系統(tǒng)運行效率高，但這種結(jié)構(gòu)難以理解、難以維護，驗證其正確性也十分困難。l早期的操作系統(tǒng)，如AT&T System V和BSD UNIX內(nèi)核就是采用一體化結(jié)構(gòu)的最具代表性的例子。 301.4.2 模塊化結(jié)構(gòu)l采用模塊化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其功

19、能是通過邏輯獨立的模塊來劃分的，相關(guān)模塊間具有定義良好的接口，通過接口來實現(xiàn)模塊間的調(diào)用。l模塊具有良好的封裝性，數(shù)據(jù)抽象允許模塊隱藏數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)細節(jié)。l采用模塊化結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)操作系統(tǒng)的好處是系統(tǒng)能作為抽象數(shù)據(jù)類型或?qū)ο蠓椒▉韺崿F(xiàn)，這樣有利于操作系統(tǒng)的理解和維護，缺點是存在潛在的性能退化。 311.4.3 可擴展內(nèi)核結(jié)構(gòu)l可擴展內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)內(nèi)核分為基礎(chǔ)核心和其它核心功能兩部分，其中，基礎(chǔ)核心包括公共必須的基本功能集合。這種結(jié)構(gòu)方法也可為特定操作系統(tǒng)定義策略獨立模塊和特定策略模塊兩類模塊。 l微內(nèi)核結(jié)構(gòu)基于客戶/服務(wù)器模型，有微內(nèi)核和核外的服務(wù)器進程組成。 321.4.4 層次結(jié)構(gòu)l在層次

20、結(jié)構(gòu)當(dāng)中，操作系統(tǒng)由若干層組成，最內(nèi)層是裸機，即機器的硬件功能部分，其它各層可以看成是一系列的虛擬機，每一層提供一組完整的功能，并且該組功能僅僅依賴于該層以內(nèi)的各層。l對于現(xiàn)代操作系統(tǒng)而言，分層結(jié)構(gòu)的限制過于嚴格，所以很少采用這種方法來構(gòu)造操作系統(tǒng)。 331.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l并發(fā)性l并發(fā)是操作系統(tǒng)的第一個重要特征。l所謂并發(fā)是指在一段時間內(nèi)有多道程序同時在計算機內(nèi)運行，這樣的系統(tǒng)稱之為并發(fā)系統(tǒng)（concurrent system）。l操作系統(tǒng)是并發(fā)系統(tǒng)的管理機構(gòu)，其本身也是并發(fā)執(zhí)行的，是與用戶程序以及其它用戶態(tài)程序一起并發(fā)執(zhí)行的。程序的并發(fā)執(zhí)行帶來了許多程序串行執(zhí)行時所沒有的新問題

21、，如中斷、死鎖等，這便導(dǎo)致了操作系統(tǒng)的復(fù)雜化。 1.5 操作系統(tǒng)的特征341.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l共享性 l操作系統(tǒng)作為多道程序系統(tǒng)規(guī)定管理機構(gòu)，同時也是系統(tǒng)資源的管理者，同樣具有共享性。 l 計算機系統(tǒng)中的資源共享有兩種類型：互斥共享和“同時”共享。 l互斥共享是指該類資源的分配必須以作業(yè)（或進程）為單位，在一個作業(yè)（或進程）沒有運行完之前，另一個作業(yè)（或進程）不得使用該類資源，這就是互斥共享。l“同時”共享是指多個作業(yè)（或進程）可“同時”使用該類資源，這里的“同時”和并發(fā)性中的“同時”有著相同的含義，是指多個作業(yè)（或進程）都已開始使用該類資源且都未使用完畢，而在某一具體時刻，只有一

22、個作業(yè)（或進程）在真正使用該類資源。 351.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l虛擬性 l操作系統(tǒng)的虛擬性是指操作系統(tǒng)使用某種技術(shù)，將物理上的一個資源或設(shè)備變成邏輯上的多個資源或設(shè)備。l虛擬出來的東西不過是用戶的“錯覺”，并不是客觀存在的東西。 361.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l異步性 l操作系統(tǒng)的異步性又稱之為不確定性，不是說操作系統(tǒng)本身的功能不確定，也不是說在操作系統(tǒng)控制下運行的用戶程序的結(jié)果是不確定的，而是指在操作系統(tǒng)控制下的多個作業(yè)的執(zhí)行順序和每個作業(yè)的執(zhí)行時間是不確定的，即進程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進。 371.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) l現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個趨勢是盡可能將代碼移到更高層次，而僅保留一個最小的內(nèi)核，即微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)（microkernel architecture）。 l在該體系結(jié)構(gòu)下，只給內(nèi)核分配一些最基本的功能，包括地址空間、進程間通信和最基本的調(diào)度，而其它操作系統(tǒng)的功能都由運行在用戶態(tài)下且與其它應(yīng)用程序類似的進程提供，這些進程可以根據(jù)特定的應(yīng)用和環(huán)境需求進行定制，有時也稱這些進程為服務(wù)器。 l該方法的最大優(yōu)點就是可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加簡單、靈活，由于微內(nèi)核可以以相同的方式與本地和遠程的服務(wù)進程交互，也使得分布式系統(tǒng)的構(gòu)造更為方便。 381.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l多線程 l多線程（m