二、操作系统概论

2.1操作系统的目标和功能

操作系统的目标：

• 方便（操作系统使得计算机更加易于使用）

• 有效（允许以更有效的方式使用计算机系统资源）

• 扩展的能力（在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服务的前下有效地开发，测试和引进新的系统功能）

操作系统提供的服务：

• 程序开发（Editors and debuggers）

• 程序运行

• I/O设备访问

• 文件访问控制

• 系统访问

• 错误检测与响应

  • 内部和外部硬件错误
  • 软件错误
  • 操作系统无法确认应用程序的请求

• 审计

• 负责管理计算机资源

• 与普通应用软件类似

• 操作系统会经常释放控制，而且必须依赖处理器才能恢复控

  内核程序（Kernel）：操作系统一部分驻留在主存中（RAM）中，内核是这部分驻留程序的一部分

  包括了操作系统中最常用的功能

  操作系统的易扩展性：

  • 硬件升级和新型硬件硬件的出现
  • 新的服务
  • 纠正错误

2.2操作系统的发展历史

2.2.1串行处理阶段

• 计算机没有操作系统（程序员需要直接和硬件打交道）
• 机器在一个控制台上运行，控制台包括显示灯、触发器、某种类型的输入设备和打印机（用机器代码编写的程序通过输入设备比如：卡片阅读器，载入计算机，一个错误使得程序停止时，错误原因由于显示灯指示，如果程序正常完成，输出结果将出现在打印机中。）
• 早期的操作系统引出了两个主要问题：
  • 调度：大多数设备都是通过登记表来预定机器时间，通常用户可以以半个小时为单位来登记，但是如果定了2个小时，快了可能1个小时45分钟就完成了，会造成15min的时间浪费，如果慢了，就会造成在解决问题之前被强制停止。
  • 准备时间：单个程序需要向内存中夹在编辑器和高级语言程序（源程序），保存编译好的程序，然后夹在目标程序和公用函数并进行连接，每个步骤都需要安装和拆卸，或者准备卡片组。而且如果出现错误还需要从新来过。

2.2.2简单批处理系统（Simple Batch System）

• 简单批处理方案的中心思想是使用一个成为监控程序（monitor）的软件。通过使用这类操作系统，用户不再直接访问机器，相反，用户只需要把卡片或者磁带交给计算机操作员，由操作员把这些作业顺序组织成批，并将镇哥哥批作业放在输出设备哈桑，供监控程序使用。每个程序完成处理之后返回到监控程序，同时，监控程序自动加载下一个程序。
• 可以通过一下两个角度来理解：
  • 1：监控程序角度，在一个程序结束之后呢，它将处理器的控制权返回给了监控程序，监控程序去读取下一个作业。
  • 2.处理器角度：”控制权交给作业”意味着处理器当前取的和执行的都是用户程序中的指令，而”控制权返回给监控程序”则意味着处理器当前从监控程序中提取出的指令并执行指令。

作业控制语言（JCL Job Control Language）

• 作业控制语言是一种特殊类型的程序控制语言
• 为监控程序提供指令
• 通过JCL为批处理系统提供控制功能

注：相对于现代操作系统，此时的操作系统的功能还很简单

• 批处理系统是一个简单的计算机程序
  • 他依赖于处理器可以从内存的不同部分取指令的能力，以交替地获取或释放控制权
  • 具有一些硬件功能：
    • 内存保护（不能改变包括监控程序的内存区域，用户程序下执行user mode该模式下特定的指令没有办法执行，监控程序执行情况下为system mode该情况下，特权指令可以执行，保护区域可以访问。）
    • 定时器Timer：防止一个作业独占系统
    • 特权指令（某些指令只能由监控程序执行。若处理器在运行用户程序是遇到这类指令，则会发生错误，并导致将控制权给监控程序，例如I/O指令属于特权指令，监控程序可以监控所有设备）
    • 中断（之前的操作系统是不具备这种能力的）

2.2.3多道批处理系统

​ 多道程序设计主要是针对于单道程序设计，在单道程序设计系统中处理器在执行下一条指令前必须等待I/O指令完成，而多道程序设计系统如果一个程序在等待I/O，处理器可以转为处理其他作业，可以提高处理器的利用效率。

2.2.4分时系统（Time Sharing）

• 使用多道程序技术来处理多个交互作业

• 处理器的时间在多个用户作业分时共享

• 多个用户通过重担设备同时使用系统

  I/O Devices Slow

  读取时间为15$\mu$s，执行时间为 1$\mu$s,写入时间为15$\mu$s，总共的时间为31$\mu$s,CPU的利用率就是$\frac{15\mu s}{31\mu s}$

  多道程序设计就是如果一个作业正在等待I/O，处理器可以转为处理其他作业，可以提高处理器利用率。

2.3操作系统的主要成就

2.3.1进程管理

• 进程的概念：

  • 一个正在执行的程序、一个正在计算机上执行的程序实例、能分配给处理器并由处理器执行的实体、一个具有以下特征的活动单元：一组指令序列的执行、一个当前状态和相关的系统资源集合
  • 进程由三部分组合而成
    • 一段可以执行的程序
    • 程序所需的相关数据
    • 程序的执行上下文

• 系统软件设计的四个难点；

  • 1.不正确的同步：常常一个程序必须要挂起去等待其他地方的某一个事件的发生，但是如果设计不合理就会导致信号丢失或者接收到重复的信号。
  • 2.失败的互斥：多个用户程序试图同时使用一个共享资源，但是很难证明这类呼哧机制对于所有的事件都是适用的。
  • 3.不确定的程序操作：不同的程序调度顺序可能会影响到特定的输出结果。
  • 4.死锁：两个程序可能都需要两个I/O设备去执行一些操作，一个程序获得了一个设备的控制权，另一个程序获得了另一个设备的控制权，他们都等待对方释放自己想要的资源。这样两个或者多个程序就会相互挂起等待，造成死锁。

2.3.2内存管理

• 进程隔离：进程A的虚拟地址和进程B的虚拟地址不同，这样就防止进程A将数据信息写入进程B。
• 自动分配和管理：
• 支持模块化程序设计
• 保护和访问控制
• 长期储存

虚拟内存（Virtual Memory）

• 允许程序从逻辑角度来使用内存
• 当一个程序被写入到辅助储存器中并且后记进程被读入的时，在连续的进程执行之间将不会脱节。

虚拟内存与文件储存

• 文件系统实现了长期储存
• 它在一个有名字的对象中保存信息，这个对象成为文件

分页（Paging）

• 在分页系统中，进程由许多固定大小的块组成，这些块称为页（Page）
• 虚拟地址由**页号和页内偏移地址**组成
• 进程中的每一页都可放在主存中的任何地方
• 实地址可放在主存中的任何地方

虚拟内存寻找地址：（图片省略）

2.3.3信息保护和安全

• 可用性：保护系统不被中断。
• 保密性：保证用户不能读取未授权访问的数据。
• 数据完整性：保护数据不被授权修改。
• 认证：设计用户奢妃的正确认证和消息数据的合法性。

2.3.4调度和资源管理

• 资源分配和调度策略许考虑三个因素：
• 1.公平性（公平或公正的资源竞争机制）
• 2.有差别的响应性（需要区分不同服务的不同作业类，有优先级别处理机制）
• 3.执行效率：最大吞吐量、最小的响应时间、能容纳尽可能多的用户

2.3.5系统结构

• 可以把整个系统看作是一系列的层次

• 每层执行总系统所需功能的相关子集

• 每一层依赖下一个较低层，较低层执行更为原始的功能并隐藏这些功能的细节
• 通过分层设计，可吧一个问题分解为几个更易于处理的子问题

2.4 现代OS的一些基本特征：

• 并发性

  • 并发性指两个或者两个以上的事件或者活动在同一时间间隔内发生。发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。
  • 进程可以清晰的刻划出来并发性。
  • 采用并发技术的系统称为多任务系统（Multitasking），并发的实质是一个物理CPU（也可以是多个CPU）在若干通道之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用用户共享以提高效率。
  • 并行性指两个或两个以上事件或者活动在同一时刻发生。在多通道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行。在分布式系统中，多台计算器并存使程序的并发性得到了更为充分发挥，同一时刻每台计算机上都可以有程序在执行。
  • 并行的事件或者活动一定是并行，但是并行的不一定是并发。

• 共享性

  • 共享指操作系统中的资源可以被多个并发执行的进程所使用，可分成两种资源共享方式：
  • 1. 互斥访问：系统中的某些资源同一时间内只允许一个进程访问，许多资源同一时间内只允许一个进程访问，许多物理设备，以及某些数据和表格都是互斥的。
    2. 同时访问：系统中还有许多资源，允许同一时间内多个程序对它进行访问，这里”同时”是宏观的说法。典型的可供多进程同时访问的资源就是磁盘。

• 虚拟性

  • 虚拟性是擦欧哦系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应为，或者把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。
  • 通过多道程序和分时使用CPU技术，物理上的一个CPU变成了逻辑上的多个CPU。

• 异步性

  • 异步性就是描述进程这种以不可预知的速度走走停停、何时开始何时暂停何时结束不可预知的性质。