操作系統(tǒng)原理：第三章 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)概念第三章：操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2本章主要內(nèi)容本章將從用戶角度、程序員角度和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員角度來(lái)分別研究操作系統(tǒng)的三個(gè)方面。系統(tǒng)組成操作系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)虛擬機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生成33.1系統(tǒng)組成進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件管理輸入/輸出系統(tǒng)管理二級(jí)存儲(chǔ)管理聯(lián)網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)命令解釋系統(tǒng)43.1.1進(jìn)程管理進(jìn)程指的是運(yùn)行著的程序進(jìn)程需要一定的資源來(lái)完成任務(wù)，包括CPU時(shí)間，內(nèi)存，文件和I/O設(shè)備OS負(fù)責(zé)以下與進(jìn)程管理有關(guān)的活動(dòng)創(chuàng)建和刪除用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程懸掛（暫停）和繼續(xù)進(jìn)程提供進(jìn)程同步機(jī)制提供進(jìn)程通信機(jī)制提供死鎖處理機(jī)制53.1.2內(nèi)存管理內(nèi)存是一字節(jié)或字的一個(gè)大的陣列，每個(gè)字或字節(jié)都有自己的地址。內(nèi)存是可以被CPU和I/O設(shè)備所共同快速訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)存是易失性的存儲(chǔ)設(shè)備。在系統(tǒng)失敗的情況下，內(nèi)存將會(huì)丟失其內(nèi)容。OS負(fù)責(zé)以下與內(nèi)存管理相關(guān)的活動(dòng)記錄內(nèi)存的哪部分正在被使用及被誰(shuí)使用當(dāng)內(nèi)存空間可用時(shí)，決定哪些進(jìn)程可以裝入內(nèi)存根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間63.1.3文件管理為了便于使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的邏輯信息存儲(chǔ)觀點(diǎn)。操作系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的物理屬性進(jìn)行了抽象，定義了邏輯存儲(chǔ)單元即文件。操作系統(tǒng)將文件映射到物理媒介上，并通過(guò)對(duì)這些存儲(chǔ)設(shè)備訪問(wèn)這些文件。文件是由其創(chuàng)建者定義的一組相關(guān)信息的集合。通常，文件表示程序（源程序和目標(biāo)程序）和數(shù)據(jù)OS負(fù)責(zé)以下有關(guān)文件管理的活動(dòng)：創(chuàng)建和刪除文件創(chuàng)建和刪除目錄提供操作文件和目錄的原語(yǔ)將文件映射到二級(jí)存儲(chǔ)器（輔存）上在穩(wěn)定（非易失的）存儲(chǔ)媒介上備份文件73.1.4I/O系統(tǒng)管理操作系統(tǒng)的目標(biāo)之一是為用戶隱藏特定硬件設(shè)備的特質(zhì)。只有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才知道被指定的設(shè)備的特質(zhì)。I/O系統(tǒng)由如下部分組成：包括緩沖器、高速緩存和脫機(jī)打印的內(nèi)存管理部分一個(gè)通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口用于特定硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序83.1.5二級(jí)存儲(chǔ)管理由于內(nèi)存太小而不能容納所有數(shù)據(jù)和程序，再加上掉電后它會(huì)失去所擁有的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須提供二級(jí)存儲(chǔ)器，以備份內(nèi)存。許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用磁盤(pán)作為主要在線存儲(chǔ)媒介來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。OS負(fù)責(zé)下列有關(guān)硬盤(pán)管理的活動(dòng)空閑空間管理存儲(chǔ)空間分配硬盤(pán)調(diào)度93.1.6聯(lián)網(wǎng)（分布式系統(tǒng)）分布式系統(tǒng)是一組不共享內(nèi)存、外設(shè)和時(shí)鐘的處理器的集合。這些處理器都有各自的內(nèi)存和時(shí)鐘系統(tǒng)中的處理器通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)相連通信雙方需采用相同的協(xié)議分布式系統(tǒng)使得用戶能夠訪問(wèn)多個(gè)系統(tǒng)資源對(duì)共享資源的訪問(wèn)可以使計(jì)算加速、功能加強(qiáng)、提供數(shù)據(jù)可用性以及增強(qiáng)可靠性操作系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)作為文件訪問(wèn)的推廣103.1.7保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)是控制程序、進(jìn)程或用戶訪問(wèn)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定義的資源的機(jī)制。這種保護(hù)機(jī)制必須能夠：區(qū)分已授權(quán)的和未授權(quán)的使用提供一定的方法以規(guī)定所有要進(jìn)行的控制提供加強(qiáng)控制的方法113.1.8命令解釋系統(tǒng)許多命令通過(guò)控制語(yǔ)句交給操作系統(tǒng)進(jìn)程創(chuàng)建和管理I/O處理二級(jí)存儲(chǔ)管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)訪問(wèn)保護(hù)聯(lián)網(wǎng)用來(lái)接收與解釋控制語(yǔ)句的程序有不同的名稱(chēng)命令行解釋器外殼(Shell,inUNIX)用戶操作系統(tǒng)接口-CLICLIallowsdirectcommandentrySometimesimplementedinkernel,sometimesbysystemsprogramSometimesmultipleflavorsimplemented–

shellsPrimarilyfetchesacommandfromuserandexecutesitSometimescommandsbuilt-in,sometimesjustnamesofprogramsIfthelatter,addingnewfeaturesdoesn’trequireshellmodificationUserOperatingSystemInterface-GUIUser-friendlydesktopmetaphorinterfaceUsuallymouse,keyboard,andmonitorIconsrepresentfiles,programs,actions,etcVariousmousebuttonsoverobjectsintheinterfacecausevariousactions(provideinformation,options,executefunction,opendirectory(knownasafolder)InventedatXeroxPARCManysystemsnowincludebothCLIandGUIinterfacesMicrosoftWindowsisGUIwithCLI“command”shellAppleMacOSXas“Aqua”GUIinterfacewithUNIXkernelunderneathandshellsavailableSolarisisCLIwithoptionalGUIinterfaces(JavaDesktop,KDE)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)操作系統(tǒng)管理資源提供服務(wù)，這些服務(wù)一部分是便于用戶使用計(jì)算機(jī)（最終目的）UI、程序的執(zhí)行、I/O操作、文件系統(tǒng)操作、通信、錯(cuò)誤檢測(cè)另一部分是便于OS自己通過(guò)資源共享確保系統(tǒng)有效地運(yùn)行（確保高效）資源分配、記賬、保護(hù)和安全操作系統(tǒng)服務(wù)helpfultotheuser:用戶接口

–幾乎所有的操作系統(tǒng)都具有用戶界面userinterface(UI)多種不同的形式CLI、Batch、GUI程序執(zhí)行-系統(tǒng)必須能夠?qū)⒊绦蜓b入內(nèi)存能夠運(yùn)行程序，能夠結(jié)束執(zhí)行eithernormallyorabnormally(indicatingerror)I/O操作

–運(yùn)行中的程序需要I/O,而這些I/O可能與某個(gè)文件或某個(gè)I/O設(shè)備有關(guān)文件系統(tǒng)操作

-程序需要讀、寫(xiě)、創(chuàng)建、刪除、搜索文件和目錄，列出文件信息并進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限管理操作系統(tǒng)服務(wù)(Cont.)helpfultotheuser(Cont):通信

–

進(jìn)程之間需要交換信息同一計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程之間或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的不同計(jì)算機(jī)的進(jìn)程之間通信可通過(guò)共享內(nèi)存或者消息交換方式來(lái)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)–

操作系統(tǒng)需要時(shí)刻知道可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤可能發(fā)生在CPU和內(nèi)存硬件、發(fā)生在IO設(shè)備，發(fā)生在用戶程序中每種類(lèi)型的錯(cuò)誤，操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采取合適的動(dòng)作和行為以保證計(jì)算的正確性和一致性調(diào)試工具可以極大地加強(qiáng)用戶和程序員有效使用系統(tǒng)的能力通信模型17操作系統(tǒng)服務(wù)(Cont.)ensuringtheefficientoperationofthesystemitselfviaresourcesharing資源分配–當(dāng)多個(gè)用戶或多個(gè)作業(yè)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，必須為每一個(gè)分配資源不同類(lèi)型的資源管理方式不同，如CPUcycles,mainmemory,andfilestorage需要特殊的分配代碼,而其他，如I/Odevices，只需要通用的請(qǐng)求和釋放代碼統(tǒng)計(jì)–

跟蹤記錄那些用戶使用了多少資源和什么類(lèi)型的資源操作系統(tǒng)服務(wù)(Cont.)ensuringtheefficientoperationofthesystemitselfviaresourcesharing安全和保護(hù)–多進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，一個(gè)進(jìn)程不能干預(yù)另一個(gè)進(jìn)程或操作系統(tǒng)本身保護(hù)確保所有對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)是受控的系統(tǒng)外部安全需要用戶認(rèn)證或鑒權(quán)，以防止外部IO受到非法的訪問(wèn)如果一個(gè)系統(tǒng)需要保護(hù)和安全，則系統(tǒng)中所有部分都需要進(jìn)行預(yù)防。

Achainisonlyasstrongasitsweakestlink.用戶如何使用OS提供的服務(wù)站在編程的角度，用戶程序里面進(jìn)行調(diào)用Systemcalls系統(tǒng)調(diào)用API應(yīng)用程序接口站在用戶的角度，用戶通過(guò)UI進(jìn)行操作SystemprogramsSystemCalls系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用提供了進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間的接口這些調(diào)用通常以匯編語(yǔ)言指令的形式提供有些系統(tǒng)允許高級(jí)語(yǔ)言直接使用系統(tǒng)調(diào)用預(yù)定義函數(shù)或子程序有些語(yǔ)言（如C,C++和Perl）已經(jīng)取代了匯編語(yǔ)言而直接用于系統(tǒng)編程向操作系統(tǒng)傳遞參數(shù)通常用三種方法通過(guò)寄存器來(lái)傳遞參數(shù)參數(shù)數(shù)量可能會(huì)比寄存器多將參數(shù)存放在內(nèi)存的塊或表中，并將塊的地址作為參數(shù)傳遞給寄存器指針將參數(shù)放在堆棧中，并通過(guò)操作系統(tǒng)彈出堆棧不限制所傳遞參數(shù)的數(shù)量或長(zhǎng)度參數(shù)作為表傳遞22ExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileExampleofSystemCallsSystemcallsequencetocopythecontentsofonefiletoanotherfileSystemCalls系統(tǒng)調(diào)用Mostlyaccessedbyprogramsviaahigh-levelApplicationProgramInterface(API)ratherthandirectsystemcalluseThreemostcommonAPIsareWin32APIforWindows,POSIXAPIforPOSIX-basedsystems(includingvirtuallyallversionsofUNIX,Linux,andMacOSX),andJavaAPIfortheJavavirtualmachine(JVM)WhyuseAPIsratherthansystemcalls?

容易移植便于使用

(Notethatthesystem-callnamesusedthroughoutthistextaregeneric)ExampleofStandardAPIConsidertheReadFile()functionintheWin32API—afunctionforreadingfromafile

AdescriptionoftheparameterspassedtoReadFile()HANDLEfile—thefiletobereadLPVOIDbuffer—abufferwherethedatawillbereadintoandwrittenfromDWORDbytesToRead—thenumberofbytestobereadintothebufferLPDWORDbytesRead—thenumberofbytesreadduringthelastreadLPOVERLAPPEDovl—indicatesifoverlappedI/OisbeingusedSystemCallImplementation通常，每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用有一個(gè)與其相關(guān)的數(shù)字編號(hào)系統(tǒng)調(diào)用接口根據(jù)編號(hào)維護(hù)一個(gè)列表索引系統(tǒng)調(diào)用接口invokes援用操作系統(tǒng)內(nèi)核中的系統(tǒng)調(diào)用并反饋系統(tǒng)調(diào)用的狀態(tài)以及所有的返回值調(diào)用者不需要知道系統(tǒng)調(diào)用如何實(shí)現(xiàn)只需要遵循API并了解調(diào)用完成之后，OS將如何處理絕大部分OSinterface細(xì)節(jié)被通過(guò)API隱藏

Managedbyrun-timesupportlibrary(setoffunctionsbuiltintolibrariesincludedwithcompiler)API–SystemCall–OSRelationship具體的systemcallAPI–SystemCall–OSRelationship具體的systemcallAPI–SystemCall–OSRelationshipAPI–SystemCall–OSRelationshipAPI–SystemCall–OSRelationshipStandardCLibraryExampleCprograminvokingprintf()librarycall,whichcallswrite()systemcall系統(tǒng)調(diào)用的類(lèi)型進(jìn)程控制：結(jié)束，中止，裝入，執(zhí)行，創(chuàng)建、終止進(jìn)程等文件管理：創(chuàng)建文件，刪除文件，打開(kāi)，關(guān)閉文件等設(shè)備管理：請(qǐng)求設(shè)備，釋放設(shè)備，讀、寫(xiě)、重定位設(shè)備等信息維護(hù)：讀取時(shí)間或日期、設(shè)置時(shí)間或日期等通信：創(chuàng)建、刪除通信連接，發(fā)送、接收消息，傳遞狀態(tài)信息等40MS-DOSexecution(a)Atsystemstartup(b)runningaprogramFreeBSDRunningMultipleProgramsSystemPrograms系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序提供了開(kāi)發(fā)程序和執(zhí)行程序的方便的環(huán)境。Theycanbedividedinto:Filemanipulation文件管理Statusinformation狀態(tài)信息Filemodification文件修改Programminglanguagesupport程序語(yǔ)言支持Programloadingandexecution程序裝載和執(zhí)行Communications通信Applicationprograms應(yīng)用程序?qū)^大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)是通過(guò)系統(tǒng)程序來(lái)界定的，而不是實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)用SystemPrograms方便的程序開(kāi)發(fā)和執(zhí)行環(huán)境Someofthemaresimplyuserinterfacestosystemcalls;othersareconsiderablymorecomplex文件管理Create,delete,copy,rename,print,dump,list,andgenerallymanipulatefilesanddirectories狀態(tài)信息Someaskthesystemforinfo-date,time,amountofavailablememory,diskspace,numberofusersOthersprovidedetailedperformance,logging,anddebugginginformationTypically,theseprogramsformatandprinttheoutputtotheterminalorotheroutputdevicesSomesystemsimplementaregistry-usedtostoreandretrieveconfigurationinformationSystemPrograms(cont’d)文件修改TexteditorstocreateandmodifyfilesSpecialcommandstosearchcontentsoffilesorperformtransformationsofthetext程序語(yǔ)言支持Compilers,assemblers,debuggersandinterpreterssometimesprovided程序裝載和執(zhí)行Absoluteloaders,relocatableloaders,linkageeditors,andoverlay-loaders,debuggingsystemsforhigher-levelandmachinelanguage通信Providethemechanismforcreatingvirtualconnectionsamongprocesses,users,andcomputersystemsAllowuserstosendmessagestooneanother’sscreens,browsewebpages,sendelectronic-mailmessages,loginremotely,transferfilesfromonemachinetoanotherSystemcall、API、systemprogram不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌瓤矗篠ystemcall是OS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，由OS提供接口訪問(wèn)API是OS提供的訪問(wèn)systemcall的一種接口，他們通常在一些運(yùn)行時(shí)庫(kù)中作為用戶，利用systemcall的更多是一些希望利用OS底層、同時(shí)又對(duì)OS底層更熟悉的，如設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的撰寫(xiě)者；利用API的，是普通程序編寫(xiě)者Systemprogram是提供程序開(kāi)發(fā)和執(zhí)行的環(huán)境，普通操作用戶SimpleStructureMS-DOS–

編寫(xiě)成利用最小的空間來(lái)提供最多的功能NotdividedintomodulesAlthoughMS-DOShassomestructure,itsinterfacesandlevelsoffunctionalityarenotwellseparatedMS-DOSLayerStructureUNIXUNIX–limitedbyhardwarefunctionality,theoriginalUNIXoperatingsystemhadlimitedstructuring.UNIX系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立部分組成SystemsprogramsThekernelConsistsofeverythingbelowthesystem-callinterfaceandabovethephysicalhardwareProvidesthefilesystem,CPUscheduling,memorymanagement,andotheroperating-systemfunctions;alargenumberoffunctionsforonelevelUNIXSystemStructure分層方法LayeredApproach操作系統(tǒng)被劃分為若干層級(jí)，每一層都建立在較低層之上Thebottomlayer(layer0),isthehardware;thehighest(layerN)istheuserinterface.模塊化layersareselectedsuchthateachusesfunctions(operations)andservicesofonlylower-levellayersLayeredOperatingSystemOS/2LayerStructure微內(nèi)核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這種方法將所有非基本部分從內(nèi)核中移走，并將它們當(dāng)做系統(tǒng)級(jí)程序和用戶級(jí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，用這種方法來(lái)構(gòu)建操作系統(tǒng)用戶模塊之間采用消息傳遞的方式進(jìn)行通信優(yōu)點(diǎn)微內(nèi)核易于擴(kuò)展易于提升OS至一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)更可靠（內(nèi)核模式中運(yùn)行的代碼更少）更安全缺點(diǎn)用戶空間與內(nèi)核空間的通信代價(jià)較高54MacOSXStructure模塊許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)核模式用面向?qū)ο蟮姆椒▋?nèi)核的組成部分相互分離任務(wù)之間的交互通過(guò)已知的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊在內(nèi)核中是按照需要可裝載的總之，模塊類(lèi)似與分層，但模塊更具靈活性56SolarisModularApproach3.6虛擬機(jī)虛擬機(jī)采用了分層的方法。它將物理硬件和OS內(nèi)核統(tǒng)一看作為硬件虛擬機(jī)提供了與基本硬件相同的接口通過(guò)利用CPU調(diào)度和虛擬內(nèi)存技術(shù)，操作系統(tǒng)能創(chuàng)建一種“幻覺(jué)”，以至于進(jìn)程認(rèn)為有自己的處理器和自己的（虛擬）內(nèi)存。58

物理計(jì)算機(jī)共享資源以創(chuàng)建虛擬機(jī)CPU調(diào)度能共享出CPU造成一種每個(gè)用戶都有自己的處理器的感覺(jué)假脫機(jī)和文件系統(tǒng)能提供虛擬讀卡機(jī)和虛擬行式打印機(jī)一個(gè)普通的用戶分時(shí)終端提供虛擬機(jī)操作員終端的功能59VirtualMachines(Cont.)

(a)Nonvirtualmachine(b)virtualmachineNon-virtualMachineVirtualMachine虛擬機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)通過(guò)完全保護(hù)系統(tǒng)資源，虛擬機(jī)提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的安全層虛擬機(jī)允許進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而不必中斷正常的系統(tǒng)操作但虛擬機(jī)概念很難提供真實(shí)的硬件效果61VMwareArchitectureJava虛擬機(jī)編譯后的Java程序是可以被Java虛擬機(jī)（JVM）執(zhí)行的與平臺(tái)無(wú)關(guān)的字節(jié)碼。JVM包括類(lèi)裝載器類(lèi)校驗(yàn)器運(yùn)行時(shí)解釋器JIT（Just-In-Time）編譯器能夠提高Java運(yùn)行的效率63JavaVirtualMachineTheJavaVirtualMachineJava平臺(tái)66OS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)沒(méi)有完整的解決方案，但有些方法被證明是卓有成效的不同的操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別從定義系統(tǒng)的目標(biāo)和規(guī)格開(kāi)始系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到硬件選擇和系統(tǒng)類(lèi)型的影響UsergoalsandSystemgoalsUsergoals–operatingsystemshouldbeconvenienttouse,easytolearn,reliable,safe,andfastSystemgoals–operatingsystemshouldbeeasytodesign,implement,andmaintain,aswellasflexible,reliable,error-free,andefficientOS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(Cont.)區(qū)分的重要原理

策略Policy:Whatwillbedone?

機(jī)制Mechanism:Howtodoit?機(jī)制Mechanisms決定howtodosomething,策略決定whatwillbedoneThesepa