《作業系統原理》——作業系統引論

本節重點

1. 作業系統的目标
2. 作業系統的類型（批處理、實時、分時系統的特征）
3. 作業系統的特征和功能
4. 多道程式設計的概念、優點
5. 脫機輸入輸出的概念、優點
6. 并發和共享的關系

目錄

作業系統的基本概念

作業系統的定義

作業系統的目标和作用

作業系統的基本類型

人工操作方式

批處理作業系統 

單道批處理系統

多道批處理系統

分時系統

實時系統

微機作業系統的發展

其他類型的作業系統

作業系統的基本特征

并發concurrence

并行與并發

程序和線程

共享sharing

互斥共享

非互斥共享

并發和共享的關系

虛拟virtual

異步性asynchronism

作業系統的主要功能

處理機管理

處理機管理的功能

存儲器管理

存儲器管理的目标

存儲器管理的功能

裝置管理

裝置管理的目标

裝置管理的功能：

檔案（資訊）管理

檔案（資訊）管理的目标：

檔案（資訊）管理的功能：

使用者接口

使用者接口的目标：

作業系統提供的兩種接口：

作業系統的結構

子產品化結構

含義

優點

缺點

子產品的獨立性

分層式結構

含義

優點

缺點

微核心OS

基本思想

典型應用

優點

缺點

作業系統的基本概念

沒有作業系統的計算機稱作裸機。

作業系統的定義

作業系統是計算機硬體和應用之間的一層軟體，管理計算機的軟硬體資源，合理地組織和管理計算機的工作流程來友善使用者使用的程式和資料的集合。

計算機系統的組成部分：裸機-core-？ -應用程式

作業系統的目标和作用

側重目标

友善性、有效性、可擴充性、開放性

作業系統的作用

1.友善使用者使用，提供接口：指令方式 視窗等

2.資源管理

3.實作對計算機資源的抽象，實作使用者和計算機硬體進行互動

作業系統能友善使用者使用硬體，能夠提高系統使用效率。

CPU管理 記憶體管理 終端管理 磁盤管理 檔案管理 網絡管理 電源管理 多核管理

作業系統的基本類型

人工操作方式

人機沖突、CPU和I/O速度沖突、資源使用率低

批處理作業系統 

多線程 IBSYS監控系統  I/O裝置與主機沖突

單道批處理系統

特征：自動性 順序性 單道性

缺點：資源使用率低

多道批處理系統

優點：資源使用率高 系統吞吐量大

缺點：平均周轉時間長、無互動能力

脫機：脫離主機進行的輸入輸出  減少了CPU的空閑時間、提高I/O速度

分時系統

分時：把計算機的系統資源進行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片，每個使用者依次輪流使用時間片 核心是任務切換 多終端 前後端互動

實時系統

實時性 可靠性 在限時時間内處理計算機的任務

微機作業系統的發展

單使用者單任務 單使用者多任務 多使用者多任務

其他類型的作業系統

網絡OS：計算機網絡配置

分布式OS：分布計算系統配置

嵌入式OS：手機IOS、andriod、傳感器

人工智能OS：具有通用作業系統所具備的所有功能 語音識别、機器視覺、執行器系統、認知行為系統

作業系統的基本特征

并發性 共享性 虛拟 異步性

并發concurrence

并行與并發

并發：在一個時間間隔内，有多個程式同時運作 單處理機

并行：兩個或多個事件（程序）在同一時刻發生 CPU數量 多處理機

程序和線程

程式：靜态的、不能獨立運作，長久存在

程序：有一組機器指令、資料和堆棧組成，能獨立運作的資源配置設定的基本機關。短暫的、有生命期。動态的。

建立程序之後，才能實作并發。共享記憶體共享CPU，提高系統資源使用率，提高吞吐量。

線程：比程序更小的機關，通常把程序作為配置設定資源的基本機關，把程序作為獨立運作和排程的基本機關。

引入線程之後，并發性能大大提高，資源使用率進一步提高。

共享sharing

系統中有限的資源不再被某個使用者獨占，就提供多個使用者共享，共享方式：

互斥共享

一段時間内某一資源隻允許一個使用者使用，當使用後，其他使用者才可使用。 比如列印機、掃描器。

臨界資源：在一段時間内隻允許一個程序通路的資源。

非互斥共享

一個資源在一段時間内可以提供多個使用者同時使用，宏觀上的并行，微觀上的串行。例如：CPU、記憶體。

并發和共享的關系

先并發，後共享。

資源共享是以并發執行為條件的，如果系統不允許并發執行，就不存在資源共享。

如果系統不對資源實施有效管理，協調好程序對共享資源的通路，就會影響程式的并發執行程度。

虛拟virtual

一個實體實體映射為若幹個對應的邏輯實體

虛拟是作業系統管理系統的重要資源，可提高資源使用率

時分複用

空分複用

異步性asynchronism

異步性是指并發環境下程式的執行順序、開始時間和執行時間是不确定的。

但是計算機的同步性保證無論程式的執行順序如何、何時開始、執行時間長短多少，隻要輸入相同，結果相同。

作業系統的主要功能

處理機管理

處理機管理的功能

完成處理機資源的配置設定、排程、回收等功能。

處理機排程機關為線程或程序。

由于處理機排程政策不同，出現不同類型的作業系統，比如批處理系統、分時系統、實時系統。

存儲器管理

存儲器管理的目标

提高記憶體使用率、友善使用者使用、提供足夠的存儲空間、友善程序并發運作。

存儲器管理的功能

• 存儲器的配置設定與回收
• 位址映射：邏輯位址到記憶體實體位址的映射
• 存儲保護保護程序間互不幹擾、互相保密
• 記憶體擴充：通過覆寫、交換和虛拟存儲的方式來提高記憶體使用率、擴大程序的記憶體空間

裝置管理

裝置管理的目标

友善裝置使用、提高CPU與I/O裝置使用率

裝置管理的功能：

• 裝置操作：利用裝置驅動程式完成對裝置的操作
• 裝置獨立性：提供統一的I/O裝置接口，是應用程式獨立于實體裝置，提高可适應性，在同樣的接口和操作下完成不同的内容
• 裝置配置設定與回收：在多使用者共享I/O裝置資源
• 緩存區管理：比對CPU和外設的速度，提高兩者的使用率，實作主機與外設的并行。

檔案（資訊）管理

檔案（資訊）管理的目标：

解決軟體資源的存儲、共享、保密和保護問題。

檔案（資訊）管理的功能：

• 集中存儲，統一的文檔共享
• 權限管理，可針對使用者、部門及崗位進行細粒度的權限控制，控制使用者的管理、浏覽、閱讀、編輯、下載下傳、删除、列印、訂閱等操作。
• 鎖定保護，文檔作者和管理權使用者可将文檔鎖定，確定文檔不被随意修改。當文檔需要修改或删除時，可以解鎖，保證文檔的正常操作。
• 存儲加密，檔案采用加密存儲，防止檔案擴散，全面保證企業級資料的安全性和可靠性。
• 資料備份，支援資料庫備份和完整資料備份雙重保護，全面保障系統内部資料安全性。使用者可自行設定備份時間及位置，到達指定時刻，系統自動執行備份操作。

使用者接口

使用者接口的目标：

提供一個友好的使用者通路作業系統的視窗

作業系統提供的兩種接口：

• 系統指令接口：為使用者組織和控制自己的作業運作。比如：指令行、指令腳本脫機、菜單式聯機、GUI（圖形使用者接口）聯機
• 程式設計接口：為使用者程式和系統程式提供調用作業系統功能，涉及系統調用和進階語言庫函數

作業系統的結構

子產品化結構

含義

整個系統分成若幹功能各異的子產品，子產品預先定義有接口，各子產品之間隻能通過這些接口進行通信，子產品可以自由調用。

優點

靈活性強、運作效率高、開發過程快

缺點

• 功能劃分和子產品接口難以保證正确和合理，連接配接上有一定困難
• 子產品之間的依賴關系複雜，降低了子產品之間的相對獨立性，可能會造成循環依賴，不利于修改，具有高耦合性。

子產品的獨立性

在劃分子產品是，要注意子產品的獨立性。

評判子產品獨立性的兩個标準：

1. 内聚性，指子產品内部各部分間聯系的緊密程度。内聚性越高，子產品的獨立性越強。
2. 耦合度，指子產品間互相聯系和互相影響的程度。顯然，耦合度越低，子產品的獨立性越好。

典型的子產品化作業系統：UNIX系統

分層式結構

含義

将系統按照層次結構劃分為若幹“層”。某一層次上代碼隻能調用低層次的代碼,使子產品間的調用有序化。系統每加一層,就構成一個比原來功能更強的虛拟機。

優點

• 功能明确，調用關系清晰（高層對低層單向依賴），有利于保證設計和實作的正确性
• 低層和高層可分别實作（便于擴充），高層的錯誤不會影響到低層，可以避免遞歸調用（不會死鎖）

死鎖是指兩個或兩個以上的程序在執行過程中，由于競争資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現象，若無外力作用，它們都将無法推進下去。此時稱系統處于死鎖狀态或系統産生了死鎖，這些永遠在互相等待的程序稱為死鎖程序。

缺點

降低了運作效率，各系統對具體劃分了多少層有不同看法

微核心OS

微核心：核心盡量保持小，隻實作作業系統的基本功能

基本思想

将更多的作業系統功能放在核心之外，作為獨立的服務程序運作

典型應用

客戶機模式/伺服器模式

優點

• 良好的擴充性:隻需添加支援新功能的服務程序即可
• 可靠性好:子產品互相隔離,調用關系明确,執行轉移不易混亂
• 便于網絡服務,實作分布式處理:以同樣的調用形式,在下層可通過核心中的網絡傳送到遠方伺服器上

缺點

消息傳遞比直接調用效率要低一些(但可以通過提高硬體性能來補償)