学习笔记——OS基本知识

深藏阁楼爱情的钟 2023-07-23 10:00 114阅读 0赞

首先，操作系统（Operating System，OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件。可以把操作系统定义为：一组能有效地组织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集合。

### 1.1操作系统的目标及作用 ###

**目标：**

方便性：主要是方便不同用户使用，如普通用户要求图形化界面，提高使用效率；程序设计人员用高级语言编写程序等。

有效性：提高系统资源利用率，如利用I/O操作时间处理其他任务；提高系统吞吐量，如合理安排流程，缩短运行周期。

可扩充性：方便增添新的功能与模块，以及对原有功能和模块进行修改。

开放性：主要是指遵循世界标准规范，如OSI国际标准，解决计算机硬件与软件兼容性问题。

**作用：**

1.作为用户与计算机硬件系统之间的接口

含义：用户通过OS使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下能够方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的 程序。

用户通过三种方式使用OS，如下图：

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系统调用是操作系统提供给应用程序使用内核功能的接口，只能通过应用程序间接使用。如部分使用系统调用的库函数。

2.作为计算机系统资源的管理者

通俗地说，OS是计算机系统中多种硬件与软件资源“的大管家”。

处理机管理：用于分配与控制处理机；

存储器管理：负责内存的分配与回收；

I/O设备管理：负责I/O设备的分配与操纵；

文件管理：用于实现对文件的存取、共享与保护。

3.作为扩充机器，并实现对计算机资源的抽象

无软件的OS--->覆盖一层I/O管理软件--->覆盖一层文件管理软件--->覆盖一层GUI--->......

**推动OS发展的主要动力：**

1.不断提高计算机资源利用率和系统吞吐率，如多道批处理系统、SPOOLing系统、虚存技术。

2.方便用户，如人-机交互、GUI。

3.器件的更新换代，如微机芯片8位->16位->32位->64位，相应的OS8位->16位->32位->64位。

4.计算机体系结构的不断发展，如处理机系统、计算机网络。

5.不断提出新的应用需求，如看电影、游戏、安全性。

### 1.2操作系统的发展过程 ###

无操作系统--->单道批处理系统--->多道批处理系统--->分时系统--->实时系统--->微机操作系统

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### 1.3操作系统的基本特性 ###

**并发：**

正式这一特征，才使得OS能有效提高系统中的资源利用率，增加系统吞吐量。

并发性：同一时间间隔有两个或多个事件发生；

并行性：同一时刻有两个或多个事件发生；

为了实现程序并发执行，引入进程。

**共享：**

指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程使用。在宏观上，既限定时间（进程在内存期间），也限定地点（内 存）。

共享的两种方式：

互斥共享方式：打印机、磁带机、系统中的大多数物理设备、栈、变量及表格。只能被互斥共享，即一段时间内， 只能供一个进程访问。这种资源被称为临界资源（一段时间内，只允许一个进程访问的资源）。

同时访问方式：磁盘、可重入码编写的文件。可同时共享，即在一段时间内，多个进程“同时”对它们访问。

并发和共享做为OS的两个最基本的特征，互为存在条件。

**虚拟：**

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。前者为实物，实际存在；后者为虚的，是用户感觉上的。

(1)时分复用技术：利用某设备为一用户服务的空闲时间，转去为其他用户服务，使设备充分利用。

1)虚拟处理机技术：一台处理机，分时为多个用户服务。即利用多道程序设计技术，将一台物理上的处理机虚拟为多 台逻辑上处理机。

2)虚拟设备技术：如虚拟I/O设备、虚拟打印机等。利用分时技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备。

(2)空分复用技术：利用存储器的空闲时间分区域存放和运行其它的多道程序，提高内存利用率。

虚拟存储技术：内存的分时复用，使用户程序的各个部分分时地进入内存运行。

速度及空间均为1/N，其中N为虚拟的逻辑设备数。

**异步：**

在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。由于资源因素及环境特点，如I/O操作、时间片轮转等，使进程的执行不可能“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。

在并发环境下，程序的执行顺序、开始时间及结束时间是不确定的（不可准确预知），即程序的异步性。

只要OS有完善的进程同步机制，且运行环境相同，则作业经多次运行，总能获得相同的结果。

### 1.4操作系统的主要功能 ###

**处理机管理功能**

主要功能：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，以及按照一定的算法把处理机分配给进程。

1.进程控制：为作业创建进程、撤销已结束进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。

2.进程同步：为多个进程的运行进行协调。两种方式：进程互斥方式（临界资源的访问，加锁）和进程同步方式（相 互合作的进程，有条有序的执行，信号量机制）

3.进程通信：实现相互合作的进程之间的信息交换。

4.调度：作业调度（从后备队列（若干作业）—>就绪队列（建立进程））

进程调度（就绪队列—>执行（分配处理机，设置运行现场））

**存储器管理功能**

1.内存分配和回收：为每道程序分配必要的内存空间以及回收不用的内存空间。

2.内存保护：每道程序的运行内存互不干扰；不允许用户程序访问系统的程序和数据，以及用户程序到非共享的内存。

3.地址映射：将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。

4.内存扩充：借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量，下面两种机制使得用户感觉内存容量比实际的大得多。

机制：请求调入（内存中仅有部分程序和数据即可执行，之后将需要的再调入内存）

置换功能（将内存中暂时不用的一部分程序和数据调入硬盘，以腾出内存空间）

**设备管理功能**

1.缓冲管理：有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的问题。

2.设备分配：根据用户进程的I/O请求、系统现有情况及按照某种设备分配策略，为之分配所需的设备。

3.设备处理：用于CPU和设备控制器之间的通信，即CPU向设备控制器发出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作。

4.虚拟设备：将实际的物理设备虚拟为多个逻辑上的设备

**文件管理功能**

1.文件存储空间的管理：分配外存空间、设置数据结构以及对存储空间进行分配与回收。

2.目录管理：为每个文件建立一个目录项、实现文件共享以及快速目录查询。

3.文件的读/写管理和保护：

读/写管理：由于读和写操作不会同时进行，故可合用一个读/写指针。

保护：防止非法用户存取文件；防止不正确方式使用文件。

**OS与用户之间的接口**

1.用户接口（命令接口）：由一组键盘操作命令及命令解释程序组成。

2.程序接口（系统调用）：为用户在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得OS服务的唯一途径。

由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。

3.GUI：图形用户接口，各种图标，形象方便。

### 1.5操作系统结构 ###

**传统OS结构**：无操作系统—>模块化结构OS—>分层次结构OS

无操作系统：由众多的过程直接构成，只注重功能的实现和获得高的效率，缺乏首尾一致的思想。

OS庞大杂乱；程序难以理解与维护。

模块化OS：即模块—接口法，将一定的功能划分为众多模块，之间通过接口实现交互。

高内聚（各模块的独立性）、低耦合（相互联系和相互影响的程度）

OS可维护性提高、加速开发过程；各模块之间的接口难以设计、各模块的“无序性”。

分层次OS：将模块—接口法的无序性变为有序性，自底向上铺设中间层。下层通过层间接口为上层提供服务。

保证正确性、易扩充和易维护；系统效率低，分层单向依赖。

**客户/服务器模式OS**：三部分构成，客户机、服务器以及网络系统。客户机与服务器之间通过消息机制进行多次通信。

客户机发出请求；服务器被动地等待来自客户机的请求。

数据的分布式处理和存储；灵活性和可扩充性。

存在着不可靠性和瓶颈问题。一个服务器一旦出故障，整个网络将瘫痪。服务器重负荷，响应时间延长。

**面向对象的程序设计：**封装、继承和多态。

通过“重用”提高产品质量和生产率；系统的易修改性和易扩展性；正确性和可靠性。

**微内核OS结构**：微内核并非一个完整的OS，而是将OS的最基本的部分放入微内核，而把绝大部分功能放在微内核外的一组服 务器（进程）中实现。

放在微内核的基本功能：与硬件处理（CPU与I/O设备硬件相关）紧密相关的部分；一些较基本的功能；客户与 服务器之间的功能。

机制（实现某一功能的具体执行机构）与策略（参数与算法）分离：机制放在微内核中。如进程管理、存储器 管理及I/O管理等一分为二，将作为机制的那部分放入微内核中。

所有的服务器都是运行在用户态，服务器与服务器之间采用的是消息传递通信机制，当某个服务器出现问题 时，不会影响内核，也不会影响其他服务器。

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**微内核的缺点**：效率降低。在完成一次客户对OS提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内 核模式与上下文的多次切换。

普通OS只需进行两次上下文切换：执行系统调用由用户态转向系统态；系统完成服务，由系统泰转向用户态。

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而微内核中至少需要经过4次上下文切换。下面通过一个例子理解。

客户机请求文件服务器服务，文件服务器需要磁盘服务器帮助。需要进行8次上下文切换

也就是说，客户与各个服务器之间交互，必须通过微内核，即客户—>微内核—>服务器。

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