OperatingSystems（02323）

操作系统概论

• 操作系统控制、内核、同步、通讯
• 操作系统调度、算法、死锁
• 存储、管理方式、分段存储
• 操作系统文件
• 操作系统设备管理

第一章（操作系统简介）

1、什么是操作系统

操作系统（Operating System OS），是一种复杂的软件系统，是不同代码、数据结构、输出初始化文件的集合，可执行

• 用户与硬件之间的接口

  • 计算机硬件：处理器、内存储器、输入/输出模块
  • 计算机软件：系统软件、应用软件
  • 在裸机上加载的第一层软件
  • 把操作系统定义为：操作系统是控制和管理计算机硬件的软件资源、是计算机用户与计算机硬件之间的接口

• 资源的管理者

  • 处理机管理
    • CPU 分配（调度）
    • 提高利用率
  • 作业管理的功能
  • 存储器管理
  • 设备管理

• 总结

  • 功能
    • 管理计算机硬件和软件资源
    • 提供计算机用户与计算机硬件之间的接口
    • 为应用程序的运行提供环境

2、操作系统的发展

• 无操作系统

  • 第一代（1745 ～ 1955）
  • 电子管

• 单道处理操作系统

  • 第二代（1955-1965）
  • 晶体管使用磁性存储设备

• 多道程序系统

  • 集成电路
  • 1962 年 分时是系统 IBM7094

• 微机操作系统

  • 磁盘操作系统
  • 芯片（Intel8080）

• 批量处理系统、分时系统、实时系统的特点

  • 单道批处理系统特点
    • 自动性、顺序性、单道性
    • 优点：减少人工操作时间
    • 缺点：CPU 资源不能扽到充分的利用
  • 多道批处理的特点
    • 多动性、无序性、调度性、复杂性
    • 优点：提高 CPU、内存和 I/O 设备的利用率和系统吞吐量
    • 缺点：系统平均周转时间长、缺乏交互能力
  • 分时系统的特点
    • 多路性、独立性、及时性、交互性
    • 优点：向用户提供了人机交互的方便性
    • 缺点：不能及时接收和处理用户命令
  • 实时系统的特点（用户实时控制和实时信息处理）
    • 应用：工业现场的自动控制、海底探测、智能机器人和航空航天…
    • 多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
    • 优点：往往采取多级容错来实施系统安全和数据安全
    • 缺点：系统错误会带来大量损失

• 系统分类

  • 主机操作系统

    运行在大型机上的操作系统，主要是提供三种服务：批处理、事务处理、分时处理

  • 服务器操作系统

    运行在网络服务器上的操作系统，通过网络同时为众多用户服务、允许用户共享硬件和软件资源

    • 可以提供打印服务、文件服务、web 服务

  • 微机操作系统

    • 个人操作系统
    • 单个用户提供良好的应用环境和应用软件开发环境

  • 嵌入式操作系统

    • 允许于嵌入式设备中（20 世纪 70 年代）

3、操作系统的特征

并发与共享互相依赖；虚拟映射关系

• 并发：两个以上事件在同一时间间隔内发生
• 共享：系统在资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
  • 资源共享方式
    • 互斥共享：例如：访问同一个数据是顺序执行
    • 同时共享：例如：可以同事访问一个数据
• 虚拟：通过某种技术把一个物理实体变成若个干逻辑上的对应物
• 异步性：进程以不可预知的速度向前推进

4、操作系统的功能

• 内存管理

  • 内存分配方式
    • 静态分配：每个作业运行之前分配好内存空间，在作业整个运行期间不再改变
    • 动态分配：每个作业运行前或者运行中，均可申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨
  • 内存保护
    • 内存主要任务；确保每道用户程序都只在自己内存空间运行，互不干扰
    • 内存保护机制：是设置连个界限寄存器，越界检查都是由硬件实现
  • 地址映射：运行时，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间
    • 地址空间（虚拟地址）：目标程序或装入程序限定的空间，称为”地址空间”单元的编号称之为逻辑地址，又称为相对地址
    • 内存空间（存储地址）：由内存中的一系列单元所限定的地址范围称之为”内存空间”，其中地址称之为物理地址
  • 内存的扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充容量，使用的用到的内存容量比实际内存容量大的多，扩充内存必须具有内存扩充机制

• 进程管理

  • 进程表述与组织
  • 进程控制
  • 进程同步
  • 进程通信与进程调度

• 设备管理（I/O 请求、分配）

  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
  • 设备独立性与虚拟设备

• 文件管理

  • 文件存储空间的管理
  • 目录管理
  • 文件的读写、和存储控制

• 接口用户管理

  • 命令接口
  • 图像用户接口
  • 程序接口

5、操作系统的体系结构

• 软件体系结构

  一个复杂软件系统高层结构、为软件提供一个结构、行为和属性的高级抽象，包括元素的结构、元素间关系、知道元素集成模型和约束

  • 简单的监控程序模型
    • 典型代表：FMS / IB-SYS
    • 单体结构模型
    • 层次结构模型
      • 基本思想
    • 客户/服务器模型与微内核
    • 动态课扩展结构模型

6、指令的执行

第二章（进程管理）

1、进程描述

• 并发执行

  • 操作系统本质是数据结构加算法
  • 操作系统中最核心的概念是进程
  • 程序的顺序执行特点：顺序性、封闭性、可再现性
  • 程序的并发执行特点：间断性、失去封闭性、不可再现性

• 进程概念

  • 进程是允许并发的程序在某个数据集合上的运行过程
  • 进程是正文段、用户数据段和进程控制块（PCB）共同组成的执行环境
    • 正文段：存放被执行的机器指令
    • 用户数据段：存放进程在执行时要操作的用户数据
    • 进程控制块：存放程序的执行环境

• 进程的特征

  • 并发性
  • 独立性
  • 异步性
  • 动态性
  • 结构特征

• 进程和程序区别

  • 程序静态，进程是动态
  • 程序永久，进程暂时存在
  • 程序和进程存在实体不同
    • 程序：指令集合
    • 进程：正文段、用户数据段、进程控制快组成

• 进程和程序的联系

  • 进程是程序的一次执行
  • 进程总是对应至少一个特定的程序，执行程序的代码
  • 一个程序可以对应多个进程

• 进程控制块

  • 进程实体存在的标志是操作系统管理进程所使用的数据结构—进程控制块
  • 进程控制块（PCB）是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的数据结构
  • 进程控制块中记录了操作系统所需要的，用户描述进程情况以及控制进程运行所需要的全部信息
  • 进程控制块是操作系统感知进程存在的唯一标志

  • 包含信息有哪些

    • 进程标识符信息：唯一标识一个进程
    • 处理机状态信息：包括通用寄存器，指令计数器，程序状态字 PSW，用户栈指针
    • 进程调度信息：包括进程状态信息，进程优先级和进程调度所需的其他信息
    • 进程控制信息：包括程序和数据的地址，进程同步和通信机制资源清单以及链接指针

• 进程的状态

  • 就绪态、执行态、阻塞态

    

2、进程的控制

• 进程的创建

  进程创建–阻塞–唤醒–终止

  • 创建条件

    • 用户登录
    • 作业调度
    • 提供服务
    • 应用请求

  • 新进程执行情况

    • 父子进程并发执行
    • 父等待，知道某个子执行完毕

  • 新进程地址空间情况

    • 子共享父地址空间
    • 子拥有独立地址空间
    • 操作系统组织和管理进程是通过管理和组织进程控制块来实

  • 调用创建新进程的系统调用来创建进程的一般步骤

    • 申请空白 PCB
    • 为新进程分配资源
    • 初始化进程控制快
    • 将新进程插入就绪队列

• 进程的阻塞

  • 条件

    • 请求系统服务
    • 数据尚未到达
    • 无工作可做
    • 启动某种操作

  • 完成进程阻塞简化过程

    • 将进程的状态改为阻塞态
    • 将进程插入相应的阻塞队列
    • 转进程调度程序，从就绪进程中选择进程为其分配 CPU

• 进程的唤醒

  • 将阻塞队列中移除
  • 将进程状态阻塞态改为就绪态
  • 将进程插入就绪态

• 进程的终止（撤销）

  • 正常执行完毕，终止进程，删除该进程
  • 一个进程调用适当的系统调用，终止另外一个进程

  • 父终止子原因

    • 子进程是了超过了分配的资源
    • 分配给子进程任务不再需要
    • 父进程退出

  • 操作系统通过系统调用完成进程终止的一般过程如下

    • 从进程 PCB 中读进程状态
    • 若进程正在执行，则终止进程的执行
    • 若进程有子孙进程，在大多数情况下需要终止子孙进程
    • 释放资源
    • 将终止进程的 PCB 移出

• 操作系统内核

进程调度与死锁

内存管理

文件系统

I/O 设备管理