計算機操作系統(tǒng)原理講義ch

1、計算機操作系統(tǒng)原理課程參考書張張堯?qū)W，史美林，計算機操作系統(tǒng)教程，清華大學(xué)出版社，1993年9月Stallings98William Stallings, Operating Systems(3rd edition), 清華大學(xué)出版社, 1998年6月 屠屠立德，屠祁，操作系統(tǒng)基礎(chǔ)（第二版），清華大學(xué)出版社，1995年9月solomon David A. Solomon, Windows NT 技術(shù)內(nèi)幕，清華大學(xué)出版社，1999年7月，Vahalia Uresh Vahalia, UNIX高級教程系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)幕，清華大學(xué)出版社，1999年5月；課程要求作業(yè)：10%上機實驗：10%考試：70%課程

2、報告：10% 第一章 緒論1.1 什么是操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的地位和目標(biāo)操作系統(tǒng) operating system(OS)計算機系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機）應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統(tǒng)圖1.1計算機系統(tǒng)的組成操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位操作系統(tǒng)的地位：緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）引入操作系統(tǒng)的目標(biāo)：有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點）：管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計算機的工作流程方便性（用戶的觀點）：提供良好的、一致的用戶接口，彌補硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別可擴充性（開放的觀點）：硬件的類型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個系統(tǒng)之間的資

3、源共享和互操作 操作系統(tǒng)的作用和組成操作系統(tǒng)的作用：幾種觀點OS是計算機硬件、軟件資源的管理者。管理對象包括：CPU、存儲器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）；管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）。OS是用戶使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口。通常包括兩種方式：系統(tǒng)命令（命令行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）；系統(tǒng)調(diào)用（形式上類似于過程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）。OS是擴展機(extended machine)/虛擬機(virtual machine)。在裸機上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲管理（針對內(nèi)存和外存）、處理機管理（針對CP

4、U）；另外，為合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理。操作系統(tǒng)的組成管理模塊：針對不同管理對象的程序模塊（通常稱為操作系統(tǒng)核心）用戶接口：如外殼(shell)、窗口系統(tǒng)在shell中，通過運行其他程序來完成各種功能操作系統(tǒng)的非形式化定義（關(guān)鍵點）：系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶接口功能 操作系統(tǒng)舉例僅僅是列舉，不作詳述MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NTUNIX: BSD, SRV4, OSF1, Solaris, LinuxNovell Netware1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史操作系統(tǒng)發(fā)展過程中主要討論操作系統(tǒng)的外

5、部特征。 推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力“需求推動發(fā)展”提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計算機發(fā)展的初期，計算機系統(tǒng)昂貴，用作集中計算方便用戶：用戶上機、調(diào)試程序，分散計算時的事務(wù)處理和非專業(yè)用戶（商業(yè)和辦公、家庭）器件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存 手工操作1946 50年代（電子管），集中計算（計算中心），計算機資源昂貴；工作方式用戶：用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計算機專業(yè)人員；編程語言：為機器語言；輸入輸出：紙帶或卡片；計算機的工作特點用戶獨占全機：不出現(xiàn)資源被其他用戶占用，資源利用率低；CPU等待用戶：計算前，手工裝入紙帶或卡片；計算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用

6、率低；主要矛盾計算機處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費）；用戶獨占全機的所有資源；提高效率的途徑專門的操作員，批處理 單道批處理系統(tǒng)(simple batch processing)50年代末 60年代中（晶體管）：利用磁帶把若干個作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個批作業(yè)由一個專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理?？墒褂脜R編語言開發(fā)。批處理中的作業(yè)的組成：包括用戶程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言）“批”：供一次加載的磁帶或磁盤，通常由若干個作業(yè)組裝成，在處理中使用一組相同的系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)帶）兩種批處理方式聯(lián)機批處理 慢速的輸入輸出處理仍直接由主機來完成；用戶提交作業(yè)：以紙帶或卡

7、片為介質(zhì)；操作員合成批作業(yè)：結(jié)果為磁帶介質(zhì)；批作業(yè)處理：對批作業(yè)中的每個作業(yè)進(jìn)行相同的處理：從磁帶讀入用戶作業(yè)和編譯鏈接程序，編譯鏈接用戶作業(yè)，生成可執(zhí)行程序；啟動執(zhí)行；執(zhí)行結(jié)果輸出。這時的問題：輸入輸出時，CPU處于等待狀態(tài)。脫機批處理（緩沖技術(shù)的一種）利用衛(wèi)星機完成輸入輸出功能。主機與衛(wèi)星機可并行工作。衛(wèi)星機：完成面向用戶的輸入輸出（紙帶或卡片），中間結(jié)果暫存在磁帶或磁盤上。作業(yè)控制命令由監(jiān)督程序(monitor)來執(zhí)行，完成如裝入程序、編譯、運行等操作優(yōu)點：同一批內(nèi)各作業(yè)的自動依次更替，改善了主機CPU和I/O設(shè)備的使用效率，提高了吞吐量缺點：磁帶或磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)

8、督程序易遭到用戶程序的破壞（由人工干預(yù)才可恢復(fù)）通道和中斷技術(shù)的出現(xiàn)60年代初，發(fā)展了通道技術(shù)和中斷技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)使監(jiān)督程序在負(fù)責(zé)作業(yè)運行的同時提供I/O控制功能。通道用于控制I/O設(shè)備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸。啟動后可獨立于CPU運行，實現(xiàn)CPU與I/O的并行。通道：專用的I/O處理器，可與CPU并行工作使 I/O聯(lián)機處理中斷是指CPU在收到外部中斷信號后，停止原來工作，轉(zhuǎn)去處理該中斷事件，完畢后回到原來斷點繼續(xù)工作。中斷：中斷請求，中斷響應(yīng)，中斷點（暫停當(dāng)前任務(wù)并保存現(xiàn)場），中斷處理例程，中斷返回（恢復(fù)中斷點的現(xiàn)場并繼續(xù)原有任務(wù)）處理算術(shù)溢出和非法操作碼，死循環(huán)（利用時鐘中斷進(jìn)行超時限定）

9、監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executive system)，常駐內(nèi)存單道批處理的主要問題CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。對計算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑；對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑； 多道批處理系統(tǒng)(multiprogramming system)60年代中 70年代中（集成電路），利用多道批處理提高資源的利用率。多道批處理的運行特點：多道：內(nèi)存中同時存放幾個作業(yè)；宏觀上并行運行：都處于運行狀態(tài)，但都未運行完；微觀上串行運行：各作業(yè)交替使用CPU；在當(dāng)前運行的作業(yè)需作I/O處理時，CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個作業(yè)。（I/O完成后是否立刻恢復(fù)執(zhí)行？要等到其他程序再次I/O時）多道批

10、處理系統(tǒng)的特征優(yōu)點：資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高；作業(yè)吞吐量大：單位時間內(nèi)完成的工作總量大；缺點：用戶交互性差：整個作業(yè)完成后或中間出錯時，才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改；作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間顯著增長；批處理：交互性差提高對CPU利用率；分時處理：用戶與應(yīng)用程序隨時交互，控制程序運行，適于商業(yè)和辦公事務(wù)處理縮短響應(yīng)時間 分時系統(tǒng)(time-sharing system)70年代中期至今“分時”的含義分時是指多個用戶分享使用同一臺計算機。多個程序分時共享硬件和軟件資源（注意區(qū)分：硬件各部分的分時，如CPU和DMA使用總線和內(nèi)存）。多個用戶分時：單個用戶使用計算機的效率低，

11、因而允許多個應(yīng)用程序同時在內(nèi)存中，分別服務(wù)于不同的用戶。有用戶輸入時由CPU執(zhí)行，處理完一次用戶輸入后程序暫停，等待下一次用戶輸入時走時停前臺和后臺程序(foreground & background)分時：后臺程序不占用終端輸入輸出，不與用戶交互現(xiàn)在的圖形用戶界面(GUI)，除當(dāng)前交互的程序(輸入焦點)之外，其他程序均作為后臺通常按時間片(time slice)分配：各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間搶先式和非搶先式(preemptive & non-preemptive)：出讓CPU是OS強迫或程序主動搶先式：OS強近出讓CPU；非搶先式：程序主動出讓CPU；分時系統(tǒng)的特點人機交互性好。在調(diào)

12、試和運行程序時由用戶自己操作。共享主機：多個用戶同時使用。用戶獨立性：對每個用戶而言好象獨占主機?，F(xiàn)在的許多操作系統(tǒng)都具有分時處理的功能，在分時系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)的發(fā)展開始分化，如實時系統(tǒng)、通用系統(tǒng)、個人系統(tǒng)等。 實時系統(tǒng)(real-time system)用于工業(yè)過程控制、軍事實時控制、金融等領(lǐng)域，包括實時控制、實時信息處理要求：響應(yīng)時間短，在一定范圍之內(nèi)；系統(tǒng)可靠性高任務(wù)的類型：周期性實時任務(wù)：非周期性實時任務(wù)：截止時間(deadline)，開始截止時間（最晚開始時間）和完成截止時間（最晚完成時間）硬實時任務(wù)和軟實時任務(wù)(hard and soft real-time task)目前的

13、操作系統(tǒng)，通常具有分時、實時和批處理功能，又稱作通用操作系統(tǒng)?？蛇m用于計算、事務(wù)處理等多種領(lǐng)域，能運行在多種硬件平臺上，如 UNIX系統(tǒng)、Windows NT等。通用化、小型化1.3 操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)分類主要討論操作系統(tǒng)的內(nèi)部特征。 批處理操作系統(tǒng)(Batch Processing Operation System)作業(yè)的處理流程：作業(yè)提交：作業(yè)的輸入；作業(yè)執(zhí)行作業(yè)完成：作業(yè)的輸出；單道(uniprogramming)和多道批處理的比較：單道多道內(nèi)存使用每次一個作業(yè)每次多個作業(yè)（充分利用內(nèi)存）作業(yè)次序順序，先進(jìn)先出無確定次序多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessing sys

14、tem)的區(qū)別：前者指多個程序同時在內(nèi)存中交替運行，后者指多個處理器。批處理的主要特征：用戶脫機使用計算機：作業(yè)提交后直到獲得結(jié)果之前，用戶無法與作業(yè)交互。作業(yè)成批處理：多道程序并行：充分利用系統(tǒng)資源。多道批處理系統(tǒng)的資源利用效率特征是基于各作業(yè)對系統(tǒng)資源的需求差異得到的。例如：有3個作業(yè)A、B、C，分別為計算、檢索和打印作業(yè)，單道運行時間分別為5分、15分和10分鐘。它們可并行在15分鐘內(nèi)完成3個作業(yè)。各資源的利用效率為：CPU打印機磁帶單道17%33%50%多道33%66%100%多道批處理系統(tǒng)上的技術(shù)作業(yè)調(diào)度：作業(yè)的現(xiàn)場保存和恢復(fù)上下文切換資源共享：資源的競爭和同步互斥(exclusio

15、n)和同步(synchronization)機制內(nèi)存使用：提高內(nèi)存使用效率（為當(dāng)前由CPU執(zhí)行的程序提供足夠的內(nèi)存）覆蓋(overlay)，交換(swap)和虛擬存儲(virtual memory)內(nèi)存保護(hù)：系統(tǒng)存儲區(qū)和各應(yīng)用程序存儲區(qū)不可沖突存儲保護(hù)文件非順序存放、隨機存取出現(xiàn)：作業(yè)管理、處理機管理、存儲管理、外設(shè)管理、文件系統(tǒng)管理(file system) 分時操作系統(tǒng)(Time Sharing Operating System)分時的定義把計算機的系統(tǒng)資源（尤其是CPU時間）進(jìn)行時間上的分割，每個時間段稱為一個時間片，每個用戶依次輪流使用時間片。分時系統(tǒng)的特征：多路性：多個用戶同時工作，

16、共享系統(tǒng)資源，提高了資源利用率。節(jié)省維護(hù)開支，可靠性高：笨終端至今仍在使用。促進(jìn)了計算機的普遍應(yīng)用，提高資源利用率：遠(yuǎn)地用戶通過終端（較便宜）聯(lián)機使用。獨立性：各用戶獨立操作，互不干擾。交互性：系統(tǒng)能及時對用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)，顯著提高調(diào)試和修改程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時間。聯(lián)機(on-line) 或稱為“在線”：用戶輸入輸出，跟本地遠(yuǎn)地系統(tǒng)連接，是同時進(jìn)行的。與脫機(off-line)或“離線”相對應(yīng)。分時系統(tǒng)的分類單道分時：調(diào)入-調(diào)出(Roll-in/Roll-out)，I/O開銷太大前臺后臺分時：后臺存放批處理作業(yè)，內(nèi)存的劃分是固定的，不靈活多道分時：需要解決加載程序時地址空間重定位的問題（

17、靜-動）關(guān)鍵問題：及時接受輸入多個I/O端口，設(shè)立多路緩沖區(qū)及時響應(yīng)提高對換速度（快速外存）、限制用戶數(shù)目、縮短時間片（可能引起對換次數(shù)增多，開銷增大，程序總運行時間增大）減少對換信息量可重入代碼(re-entrant code)；請求頁式存儲管理只對換部分程序遞歸(recursion)是自己對自己的重入 實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System)實時操作系統(tǒng)主要用于過程控制、事務(wù)處理等有實時要求的領(lǐng)域，其主要特征是實時性和可靠性。實時系統(tǒng)的特征實時時鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能；過載保護(hù)：緩沖區(qū)排隊，丟棄某些任務(wù)，動態(tài)調(diào)整任務(wù)周期；過載是指進(jìn)

18、入系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力。高度可靠性和安全性容錯能力（如故障自動復(fù)位）和冗余備份（雙機，關(guān)鍵部件）；實時系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的區(qū)別專用系統(tǒng)：許多實時系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而批處理與分時系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。實時控制：實時系統(tǒng)用于控制實時過程，要求對外部事件的迅速響應(yīng)，具有較強的中斷處理機構(gòu)。高可靠性：實時系統(tǒng)用于控制重要過程，要求高度可靠，具有較高冗余。如雙機系統(tǒng)。事件驅(qū)動和隊列驅(qū)動：實時系統(tǒng)的工作方式：接受外部消息，分析消息，調(diào)用相應(yīng)處理程序進(jìn)行處理?？膳c通用系統(tǒng)結(jié)合成通用實時系統(tǒng)：實時處理前臺作業(yè)，批處理為后臺作業(yè)。 多處理操作系統(tǒng)(Multi-processor Operatin

19、g System)多處理操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了提高計算機系統(tǒng)性能和可靠性。提高性能有兩條途徑：提高各個組成部分的速度、增大處理的并行程度。75年前后，出現(xiàn)多處理機系統(tǒng)(multi-processor)。多處理機系統(tǒng)的優(yōu)點：增加系統(tǒng)的吞吐量：N個處理器加速比達(dá)不到N倍（額外的調(diào)度開銷，算法的并行化）提高系統(tǒng)可靠性：故障時系統(tǒng)降級運行多處理機系統(tǒng)的類型：緊密耦合(tightly-coupled)：各處理機之間通過快速總線或開關(guān)陣列相連，共享內(nèi)存，整體系統(tǒng)由一個統(tǒng)一的OS管理（一個OS核心）。松散耦合(loosely-coupled)：各處理機帶有各自的存儲器、I/O設(shè)備和操作系統(tǒng)，通過通道或通信線路

20、相連。每個處理機上獨立運行OS。多處理操作系統(tǒng)的類型要運行OS本身、I/O處理（如中斷響應(yīng)）、應(yīng)用程序非對稱式多重處理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又稱主從模式(Master-slave mode)。主處理器：只有一個，運行OS。管理整個系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)；從處理器：可有多個，執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。特點：不同性質(zhì)任務(wù)的負(fù)載不均，可靠性不夠高，不易移植（通常要求硬件也是“非對稱”）。對稱式多重處理(Symmetric Multiprocessing, SMP)：OS交替在各個處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為平均，性能調(diào)節(jié)容易“傻瓜式” 網(wǎng)絡(luò)操作系

21、統(tǒng)(NOS, Network Operating System)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在通常操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計算機進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)絡(luò)資源共享，提供網(wǎng)絡(luò)用戶所需各種服務(wù)的軟件和相關(guān)規(guī)程的集合。網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。早期的作法是通常操作系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)軟件，過渡到網(wǎng)絡(luò)功能成為操作系統(tǒng)的有機組成部分。它們的區(qū)別在于：網(wǎng)絡(luò)功能的強弱、使用是否方便等。計算機網(wǎng)絡(luò)一些自主的計算機系統(tǒng)，通過通信設(shè)施相互連接，完成信息交換、資源共享、互操作和協(xié)同工作等功能。引入計算機網(wǎng)絡(luò)的目的：完成新的應(yīng)用（進(jìn)行自動的信息交換），提高性能價

22、格比（共享昂貴資源）計算機網(wǎng)絡(luò)的分類按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▊鬏斆襟w和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所連接的幾何形狀）：星形、環(huán)形、總線形、不規(guī)則形等；按地理范圍：局域網(wǎng)（LAN, Local Area Network）、城域網(wǎng)(MAN, Metropolitan Area Network)、廣域網(wǎng)(WAN, Wide Area Network)；按網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在特性，決定其性能（如效率隨負(fù)載的變化、實時性、優(yōu)先級）Ethernet, Token Ring, FDDI, X.25, ATM網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的功能通常操作系統(tǒng)的功能：處理機管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理等；網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；資源管

23、理：協(xié)調(diào)各用戶使用；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：文件和設(shè)備共享，信息發(fā)布；網(wǎng)絡(luò)管理：安全管理、故障管理、性能管理等；互操作：直接控制對方比交換數(shù)據(jù)更為困難； 分布式操作系統(tǒng)(Distributed Operating System)分布式系統(tǒng)：處理和控制的分散（相對于集中式系統(tǒng)）分布式系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，它的基本特征是處理上的分布，即功能和任務(wù)的分布。分布式操作系統(tǒng)的所有系統(tǒng)任務(wù)可在系統(tǒng)中任何處理機上運行，自動實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的任務(wù)分配并自動調(diào)度各處理機的工作負(fù)載。分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的比較：耦合程度：分布式系統(tǒng)是緊密耦合系統(tǒng)：分布式OS是在各機上統(tǒng)一建立的“OS同質(zhì)”，直接管理CPU、存儲器和

24、外設(shè)；統(tǒng)一進(jìn)行全系統(tǒng)的管理；網(wǎng)絡(luò)通常容許異種OS互連，各機上各種服務(wù)程序需按不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議“協(xié)議同質(zhì)”。并行性：分布式OS可以將一個進(jìn)程分散在各機上并行執(zhí)行“進(jìn)程遷移”；網(wǎng)絡(luò)則各機上的進(jìn)程獨立。透明性：用戶是否知道或指定資源在哪個機器上（如CPU、內(nèi)存或外設(shè)）。分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度對用戶透明，用戶不了解所占有資源的位置；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)資源的使用要由用戶明確指定；健壯性：分布式系統(tǒng)要求更強的容錯能力（工作時系統(tǒng)重構(gòu)） 個人計算機操作系統(tǒng)(Personal Computer Operating System)針對單用戶使用的個人計算機進(jìn)行優(yōu)化的操作系統(tǒng)。個人計算機操作系統(tǒng)的特征應(yīng)用領(lǐng)域：事

25、務(wù)處理、個人娛樂，系統(tǒng)要求：使用方便、支持多種硬件和外部設(shè)備（多媒體設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程通信）、效率不必很高。常用的個人計算機操作系統(tǒng)單用戶單任務(wù)：MS DOS單用戶多任務(wù)：OS/2, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT多用戶多任務(wù)：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD)1.4 操作系統(tǒng)的特征和服務(wù) 操作系統(tǒng)的特征并發(fā)(concurrency)多個事件在同一時間段內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)系統(tǒng)，各進(jìn)程間的并發(fā)，系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā)。操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過程的管理。并行(parallel)是指在同一時刻發(fā)生。在

26、多道程序處理時，宏觀上并發(fā)，微觀上交替執(zhí)行（在單處理器情況下）。程序的靜態(tài)實體是可執(zhí)行文件，而動態(tài)實體是進(jìn)程（或稱作任務(wù)），并發(fā)指的是進(jìn)程。共享(sharing)多個進(jìn)程共享有限的計算機系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)要對系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用。資源在一個時間段內(nèi)交替被多個進(jìn)程所用?；コ夤蚕恚ㄈ缫纛l設(shè)備）：資源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用。同時訪問（如可重入代碼，磁盤文件）資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化虛擬(virtual)一個物理實體映射為若干個對應(yīng)的邏輯實體分時或分空間。虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段，可提高資源利用率。CPU每個用戶（進(jìn)程）的“虛處理機”存儲器每個進(jìn)程都占有的地址空間（指令數(shù)據(jù)

27、堆棧）顯示設(shè)備多窗口或虛擬終端(virtual terminal)異步性(asynchronism)也稱不確定性，指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時間的不確定性；進(jìn)程的運行速度不可預(yù)知：分時系統(tǒng)中，多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，“時走時?！保豢深A(yù)知每個進(jìn)程的運行推進(jìn)快慢判據(jù)：無論快慢，應(yīng)該結(jié)果相同通過進(jìn)程互斥和同步手段來保證難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)（包括重現(xiàn)運行中的錯誤）性能保證：實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)相似，但通過資源預(yù)留以保證性能 操作系統(tǒng)的服務(wù)服務(wù)類型程序執(zhí)行和終止（包括分配和回收資源）I/O操作文件系統(tǒng)操作通信：本機內(nèi)，計算機之間（通常通信服務(wù)的使用者為進(jìn)程，而不是籠統(tǒng)說“主機”）配置管理：硬件、OS本身、

28、其他軟件差錯檢測服務(wù)提供方式：系統(tǒng)命令和系統(tǒng)調(diào)用 參見(2)1.5 操作系統(tǒng)的功能 處理機管理完成處理機資源的分配調(diào)度等功能。進(jìn)程控制：創(chuàng)建、撤銷、掛起、改變運行優(yōu)先級等主動改變進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程同步：協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的推進(jìn)步驟，以協(xié)調(diào)資源共享；交換信息能力弱進(jìn)程通信：進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)進(jìn)程間的協(xié)作；交換信息能力強，也可以用來協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的推進(jìn)調(diào)度：作業(yè)和進(jìn)程的運行切換，以充分利用處理機資源和提高系統(tǒng)性能；未必是進(jìn)程控制操作所引起（可能是時間片輪轉(zhuǎn)、I/O操作）同一類型內(nèi)的公平性、高效率（吞吐量大）、作業(yè)周轉(zhuǎn)時間等 存儲管理管理目標(biāo)：提高利用率、方便用戶使用、提供足夠的存儲空間、方便進(jìn)程并發(fā)

29、運行。存儲分配與回收：不說是內(nèi)存存儲保護(hù)：保證進(jìn)程間互不干擾、相互保密；如：訪問合法性檢查、甚至要防止從“垃圾”中竊取其他進(jìn)程的信息；地址映射（變換）：進(jìn)程邏輯地址到內(nèi)存物理地址的映射；內(nèi)存擴充（覆蓋、交換和虛擬存儲）：提高內(nèi)存利用率、擴大進(jìn)程的內(nèi)存空間； 設(shè)備管理設(shè)備管理的目標(biāo)是：方便的設(shè)備使用、提高CPU與I/O設(shè)備利用率；設(shè)備操作：利用設(shè)備驅(qū)動程序（通常在內(nèi)核中）完成對設(shè)備的操作。還需處理外設(shè)的IRQ。設(shè)備獨立性(device independence)：提供統(tǒng)一的I/O設(shè)備接口，使應(yīng)用程序獨立于物理設(shè)備，提高可適應(yīng)性；在同樣的接口和操作下完成不同的內(nèi)容（如FAX Modem作為Wind

30、ows上的打印機設(shè)備）。設(shè)備分配與回收：在多用戶間共享I/O設(shè)備資源。虛擬設(shè)備(virtual device)：設(shè)備由多個進(jìn)程共享，每個進(jìn)程如同獨占。緩沖區(qū)管理：匹配CPU和外設(shè)的速度，提高兩者的利用率（單緩沖區(qū)、雙緩沖區(qū)和公用緩沖區(qū)） 信息管理解決軟件資源的存儲、共享、保密和保護(hù)。文件存儲空間管理：解決如何存放信息，以提高空間利用率和讀寫性能。目錄管理：解決信息檢索問題。文件的屬性（如文件名）、單一副本賦予多文件名文件的讀寫管理和存取控制：解決信息安全問題。系統(tǒng)設(shè)口令“哪個用戶”、用戶分類“哪個用戶組”、文件權(quán)限“針對用戶或用戶組的讀寫權(quán)”軟件管理：軟件的版本、相互依賴關(guān)系、安裝和拆除等用戶

31、接口目標(biāo)：提供一個友好的用戶訪問操作系統(tǒng)的接口。操作系統(tǒng)向上提供兩種接口：系統(tǒng)命令：供用戶用于組織和控制自己的作業(yè)運行。命令行、菜單式或GUI“聯(lián)機”；命令腳本“脫機”編程接口：供用戶程序和系統(tǒng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用和高級語言庫函數(shù)；1.6 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，功能越強，OS自身代碼量越大采用良好的結(jié)構(gòu)：有利于保證正確性以及自身修改和擴充。操作系統(tǒng)的設(shè)計原則可維護(hù)性容易修改與否稱為可維護(hù)性；有三種可能的維護(hù)：改錯性維護(hù)：改正已發(fā)現(xiàn)的錯誤；適應(yīng)性維護(hù)：修改軟件，使之適應(yīng)新的運行環(huán)境（硬件環(huán)境和軟件環(huán)境）；如：操作系統(tǒng)的移植。完善性維護(hù)：增加新功能；可靠性可靠性包括兩方面：正

32、確性：正確實現(xiàn)所要求的功能和性能；穩(wěn)健性：對意外（故障和誤操作）作出適當(dāng)?shù)奶幚?；可理解性易于理解，以方便測試、維護(hù)和交流；性能有效地使用系統(tǒng)資源；盡可能快地響應(yīng)用戶請求；整體或模塊結(jié)構(gòu)monolithic system or modular system整個系統(tǒng)按功能進(jìn)行設(shè)計和模塊劃分。系統(tǒng)是一個單一的、龐大的的軟件系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)思想來源于服務(wù)功能觀點，而不是資源管理的觀點。模塊結(jié)構(gòu)的特點模塊由眾多服務(wù)過程（模塊接口）組成，可以隨意調(diào)用其他模塊中的服務(wù)過程如 UNIX系統(tǒng)（注意：OSF/1不是）優(yōu)點：具有一定靈活性，在運行中的高效率缺點：功能劃分和模塊接口難保正確和合理；模塊之間的依賴關(guān)系（功

33、能調(diào)用關(guān)系）復(fù)雜（調(diào)用深度和方向），降低了模塊之間的相對獨立性不利于修改 分層結(jié)構(gòu)或虛擬機layered system or virtual machine從資源管理觀點出發(fā)，劃分層次。在某一層次上代碼只能調(diào)用低層次上的代碼，使模塊間的調(diào)用變?yōu)橛行蛐?。系統(tǒng)每加一層，就構(gòu)成一個比原來功能更強的虛擬機。有利于系統(tǒng)的維護(hù)性和可靠性。分層結(jié)構(gòu)的特點優(yōu)點：功能明確，調(diào)用關(guān)系清晰（高層對低層單向依賴），有利于保證設(shè)計和實現(xiàn)的正確性低層和高層可分別實現(xiàn)（便于擴充）；高層錯誤不會影響到低層；避免遞歸調(diào)用缺點：降低了運行效率各系統(tǒng)對具體劃分多少層次有不同的看法。分層原則被調(diào)用功能在低層：如文件系統(tǒng)管理設(shè)備管理設(shè)

34、備驅(qū)動程序活躍功能在低層：提高運行效率資源管理的公用模塊放在最低層：如緩沖區(qū)隊列、堆棧操作存儲器管理放在次低層：便于利用虛擬存儲功能最低層的硬件抽象層：與機器特點緊密相關(guān)的軟件放在最低層。如Windows NT中的HAL單處理、多處理資源分配策略和外殼放在最外層，便于修改或適應(yīng)不同環(huán)境調(diào)用跨越的層次：相鄰層（最嚴(yán)格）、所有下層、部分下層 客戶/服務(wù)器模型或微內(nèi)核結(jié)構(gòu)client-server model or microkernel把操作系統(tǒng)分成若干分別完成一組特定功能的服務(wù)進(jìn)程，等待客戶提出請求；而系統(tǒng)內(nèi)核只實現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能(如：虛擬存儲、消息傳遞)。微內(nèi)核(micro-kernel)

35、：將更多操作系統(tǒng)功能放在核心之外，作為獨立的服務(wù)進(jìn)程運行；服務(wù)進(jìn)程（或稱作“保護(hù)子系統(tǒng)”）和客戶進(jìn)程（系統(tǒng)客戶和應(yīng)用客戶）需支持多進(jìn)程本地過程調(diào)用 (LPC, Local Procedure Call)：一種進(jìn)程之間請求-應(yīng)答式的消息（Message）傳遞機制普通過程調(diào)用：執(zhí)行點的直接轉(zhuǎn)移（到子程序中）。消息：是一定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。發(fā)起調(diào)用，送出請求消息請求消息到達(dá)并進(jìn)行處理送出回答消息整理回答消息，返回結(jié)果 如：對文件create, read, write微內(nèi)核模式的特點優(yōu)點：良好的擴充性：只需添加支持新功能的服務(wù)進(jìn)程即可可靠性好：調(diào)用關(guān)系明確，執(zhí)行轉(zhuǎn)移不易混亂便于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)分布式處理：

36、以同樣的調(diào)用形式，在下層可通過核心中的網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方服務(wù)器上 (遠(yuǎn)地過程調(diào)用 RPC, Remote Procedure Call) RPC的過程：RPC應(yīng)用程序RPC StubNetworkRPC Server進(jìn)行本地調(diào)用 缺點：消息傳遞比直接調(diào)用效率要低一些 (但可以通過提高硬件性能來補償 )1.7 常用的操作系統(tǒng) MS DOSIBM PC, CPU 8088/8086, BIOS單用戶單任務(wù)，簡單分層結(jié)構(gòu)，16位MS DOS的歷史1981年：PC-DOS 1.1：IBM PC，只支持軟盤的個人操作系統(tǒng)；1983年：DOS2.0：PC XT，支持硬盤和目錄的層次結(jié)構(gòu)，并提供豐富的系統(tǒng)命令；

37、1984年：DOS3.0：PC AT (Intel 80286 CPU)，它把286作為一個快速的8086使用；MS DOS的結(jié)構(gòu)DOS可分為三個基本層次：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 1 DOS結(jié)構(gòu)DOS BIOS：由一組與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序組成，實現(xiàn)基本的輸入/輸出功能；DOS核心：提供一套獨立于硬件的系統(tǒng)功能：內(nèi)存管理、文件管理、字符設(shè)備和輸入/輸出、實時時鐘等；命令處理程序：對用戶命令進(jìn)行分析和執(zhí)行；MS DOS的特點字符用戶界面。作業(yè)管理：命令行，批處理程序（BAT文件），菜單式。編程時通過中斷調(diào)用(int 21h)來使用系統(tǒng)功能。不區(qū)分用戶?！皽?zhǔn)多任務(wù)”：通過內(nèi)存駐留程序

38、TSR(Terminated and Stay Resident)來實現(xiàn)，通過時鐘中斷或鍵盤中斷“熱鍵hotkey”來激活其他任務(wù)。不支持虛擬存儲，沒有存儲保護(hù)。采用段式分配(內(nèi)存塊)，可直接訪問的最大地址空間為1MB。其余的內(nèi)存只能通過作為擴展內(nèi)存(XMS)或擴充內(nèi)存(EMS)來使用。XMS是段式分配，通過內(nèi)存數(shù)據(jù)搬移來使用XMS區(qū)域EMS是頁式分配，通過頁面的映射來使用EMS區(qū)域或者用支持保護(hù)方式的編程工具（如 djgpp）文件系統(tǒng)為FAT(File Allocation Table)格式（磁盤卷，多級目錄，文件名 8+3 個字符；分區(qū)容量最大為2GB）；有文件屬性，沒有區(qū)分用戶的訪問權(quán)限保護(hù)。分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序在系統(tǒng)起動時加載。 MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NTCPU 80386單用戶多任務(wù)（分時系統(tǒng)），16位/16和32位混合/32位Windows的歷史1990年：Windows 3.0，16位OS，借見Apple Macintosh給出友好的用戶界面；1993年：Windows NT 3.1, 32位OS，支持