第一章計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)緒論

第1章緒論1.1操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)概念（p2）一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源、合理地對各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度以及方便用戶的程序集合。它就像是指揮者，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)所有的組件，并使得各個組件能依照某個計(jì)劃協(xié)同工作。效率和功能是一個操作系統(tǒng)可用的關(guān)鍵因素。操作系統(tǒng)的效率為計(jì)算機(jī)上所有軟件的性能提高提供了平臺，研究操作系統(tǒng)的一個最重要的原因是學(xué)習(xí)如何獲得最好的性能。另外，操作系統(tǒng)提供了一系列功能以支持用戶程序的執(zhí)行。提供較少功能的高性能操作系統(tǒng)實(shí)際上會迫使應(yīng)用程序做更多的工作。為了在編程中充分使用系統(tǒng)的功能，需要理解系統(tǒng)是如何設(shè)計(jì)的。作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口圖1－1OS作為接口的示意圖計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用，命令，圖標(biāo)，窗口應(yīng)用程序及實(shí)用程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)者程序員用戶應(yīng)用軟件：設(shè)計(jì)用于解決一個專門問題。如電子郵件軟件，庫存控制軟件，文檔編輯程序等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)：提供一個一般的編程環(huán)境，從而程序員可以生成特定的應(yīng)用程序以適應(yīng)他們客戶的需要。編程環(huán)境由程序設(shè)計(jì)工具（如編輯器和編譯器）和抽象（如文件和對象）組成。為了使機(jī)器資源更多的花費(fèi)在應(yīng)用程序上，系統(tǒng)軟件對機(jī)器資源的使用應(yīng)該盡可能少。一般系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的最初動機(jī)，主要是提供一些程序員可以使用的功能以備應(yīng)用軟件調(diào)用。后來，系統(tǒng)軟件（特別是操作系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了另一個重要目的：使應(yīng)用程序能夠以有序的方式去共享硬件。共享提高了系統(tǒng)整體的性能。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的一部分，它保證共享的實(shí)現(xiàn)最安全和有效。它是“最貼近硬件”的軟件實(shí)現(xiàn)，其它的系統(tǒng)軟件和所有的應(yīng)用軟件把操作系統(tǒng)作為使用硬件的一個界面。操作系統(tǒng)程序員編寫控制硬件的軟件（實(shí)現(xiàn)共享和抽象），給應(yīng)用程序員提供一個可以使用的軟件環(huán)境。通常的系統(tǒng)軟件C運(yùn)行庫：標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫，如printf()和scanf()。數(shù)學(xué)庫，如sqrt()。圖形庫，如drawCircle()等。命令行解釋程序（也稱外殼程序），如windows下使用dir命令，UNIX下使用ls命令可進(jìn)行目錄下的條目列表；Linux的bash程序和Windows的cmd.exe程序都是命令行解釋程序。窗口系統(tǒng)：為應(yīng)用程序提供了虛擬終端，應(yīng)用程序可以用函數(shù)讀寫窗口，好像該窗口是一個終端設(shè)備一樣。例如Macintoshdesktop,MicrosoftWindowsdesktop，Linux的Gnomedesktop等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如Oracle或MySQL等。操作系統(tǒng)與其它系統(tǒng)軟件的區(qū)別操作系統(tǒng)直接作用于硬件之上，為其他系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件提供接口。通用的操作系統(tǒng)與應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān)。操作系統(tǒng)可支持許多應(yīng)用領(lǐng)域軟件。應(yīng)用程序使用操作系統(tǒng)所提供的資源抽象，從而使用硬件資源部件。操作系統(tǒng)允許不同的應(yīng)用程序通過它所提供的資源管理策略來共享硬件資源。研究操作系統(tǒng)的兩種觀點(diǎn)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者處理機(jī)管理：分配和控制處理機(jī)存儲器管理：分配及回收內(nèi)存I/O(Input/Output)設(shè)備管理：I/O分配與操作文件管理：文件存取、共享和保護(hù)

作為擴(kuò)充機(jī)器把覆蓋了軟件的機(jī)器稱為擴(kuò)充機(jī)或虛擬機(jī)。分層擴(kuò)充的特點(diǎn)。操作系統(tǒng)作為虛擬機(jī)#include<studio.h>intmain(){printf(“hello,world\n”);}

Hello程序必需被轉(zhuǎn)化為低級機(jī)器語言指令，然后這些指令按照一種稱為可執(zhí)行目標(biāo)程序的格式打好包，并以二進(jìn)制磁盤文件的形式存放起來。思考用MCS51編寫hello，world程序？用MCS51編寫讀鍵盤輸入，并輸出的程序？翻譯過程——編譯系統(tǒng)gcc–ohellohello.c翻譯過程分為四個階段，執(zhí)行這四個階段的程序一起構(gòu)成編譯系統(tǒng)。預(yù)處理階段：讀取頭文件stdio.h的內(nèi)容，并插入到程序文本中去；編譯階段：產(chǎn)生一個匯編語言程序。匯編階段：翻譯成機(jī)器語言，并且打包成為一種可重定位目標(biāo)程序的格式。鏈接階段：printf存在于一個名為printf.o的單獨(dú)的預(yù)編譯目標(biāo)文件中，必須以某種方式并入到hello.o中；程序的運(yùn)行——Shellunix>./helloHello,worldunix>shell執(zhí)行它的指令，等待輸入。當(dāng)我們輸入后，逐一讀取字符到寄存器，再把它存放到存儲器中?；剀嚂r，shell知道我們已經(jīng)結(jié)束了命令輸入。然后shell執(zhí)行一系列指令，將目標(biāo)文件中的代碼和數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到貯存，從而加載hello文件。數(shù)據(jù)包括最終會被輸出的字符串。一旦hello目標(biāo)文件中的代碼和數(shù)據(jù)被加載到了存儲器，處理器就開始執(zhí)行hello程序的主程序中的機(jī)器語言指令，將串中的字節(jié)從存儲器中拷貝到寄存器堆，再從寄存器中文件拷貝到顯示設(shè)備，最終顯示到屏幕上。程序沒有直接訪問鍵盤，顯示器，磁盤或者主存，它們依靠操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。操作系統(tǒng)作為資源的管理者操作系統(tǒng)有兩個主要用途：防止硬件被失控的應(yīng)用程序?yàn)E用；在控制復(fù)雜而又通常廣泛不同的低級硬件設(shè)備方面，為應(yīng)用程序提供簡單一致的方法。它通過幾個基本的抽象概念（進(jìn)程，虛擬存儲器和文件）實(shí)現(xiàn)這兩個用途。文件是對I/O設(shè)備的抽象表示，虛擬存儲器是對主存和磁盤I/O設(shè)備的抽象表示，進(jìn)程則是對處理器、主存和I/O設(shè)備的抽象表示。進(jìn)程進(jìn)程：操作系統(tǒng)提供一種假象，似乎系統(tǒng)上只有這個程序在運(yùn)行。程序看上去獨(dú)占的使用處理器，主存和I/O設(shè)備。這些假象是通過進(jìn)程的概念來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)程是操作系統(tǒng)對運(yùn)行程序的一種抽象；并發(fā)與并行；在并發(fā)運(yùn)行中，交錯執(zhí)行的機(jī)制稱為上下文切換。在helloworld示例中，有兩個同時運(yùn)行的進(jìn)程：shell進(jìn)程和hello進(jìn)程。最開始，只有shell進(jìn)程在運(yùn)行，等待輸入。當(dāng)我們讓它運(yùn)行hello程序時，shell通過調(diào)用一個專門的函數(shù)，即系統(tǒng)調(diào)用，來執(zhí)行我們的請求，系統(tǒng)調(diào)用會將控制權(quán)傳遞給操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)保存shell進(jìn)程的上下文，創(chuàng)建一個新的hello進(jìn)程及其上下文，然后將控制權(quán)傳給新的hello進(jìn)程。在hello進(jìn)程終止后，操作系統(tǒng)恢復(fù)shell進(jìn)程的上下文，并將控制權(quán)傳回給它，繼續(xù)等待下一命令行輸入。處理機(jī)管理多道環(huán)境下，處理機(jī)的運(yùn)行及分配都是以進(jìn)程為單位，因此處理機(jī)管理可歸結(jié)為進(jìn)程管理。一、進(jìn)程控制創(chuàng)建/撤消進(jìn)程遷移進(jìn)程狀態(tài)一般由進(jìn)程控制原語完成二、進(jìn)程同步為使多個進(jìn)程有條不紊地運(yùn)行，應(yīng)建立同步機(jī)制。包括進(jìn)程互斥/同步，次序協(xié)調(diào)。三、進(jìn)程通信源于進(jìn)程合作，如：輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程、打印進(jìn)程相互間有信息傳遞類型：直接通信：進(jìn)程A發(fā)message，進(jìn)程B收message間接通信：進(jìn)程A發(fā)message到中間實(shí)體（如mailbox），進(jìn)程B從中間實(shí)體收messageOS的主要功能(3)四、調(diào)度（作業(yè)與進(jìn)程）作業(yè)調(diào)度：為作業(yè)分配必要資源，調(diào)入內(nèi)存建立進(jìn)程，并使之進(jìn)入就緒隊(duì)列。進(jìn)程調(diào)度：從就緒隊(duì)列中選出進(jìn)程，分配CPU，使之運(yùn)行。調(diào)度算法：FCFS、優(yōu)先權(quán)等虛擬存儲器也是一個抽象概念，為每個進(jìn)程提供一個假象，好像它在獨(dú)占的使用主存。每個進(jìn)程看到的存儲器都是一致的，稱為虛擬地址空間。Linux中，最上面的四分之一的地址空間預(yù)留給操作系統(tǒng)中的代碼和數(shù)據(jù)。底部的四分之三用于存放用戶進(jìn)程定義的代碼和數(shù)據(jù)。存儲管理目的：方便用戶使用，且提高存貯器利用率一、內(nèi)存分配靜態(tài)分配：動態(tài)分配：作業(yè)在內(nèi)存中可移動為此，需內(nèi)存分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)存分配和回收功能二、內(nèi)存保護(hù)例：設(shè)置上、下界寄存器，每條指令進(jìn)行越界檢查（一般是硬件實(shí)現(xiàn)）三、地址映射地址范圍 地址邏輯空間 邏輯地址相對地址（）物理空間 物理地址（絕對地址）四、內(nèi)存擴(kuò)充利用虛存技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量系統(tǒng)應(yīng)有：請求調(diào)入/置換功能以支持虛存技術(shù)文件文件只不過是字節(jié)序列。每個I/O設(shè)備，包括磁盤，鍵盤，顯示器，甚至網(wǎng)絡(luò)，都可以被看成是文件。系統(tǒng)中的所有輸入輸出都是通過使用UnixI/O的一小組系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用讀寫文件來實(shí)現(xiàn)的。這個簡單而精致的抽象概念非常強(qiáng)大，它使得應(yīng)用程序能夠同一地看待系統(tǒng)中可能含有的所有各式各樣的I/O設(shè)備。例如，處理磁盤文件內(nèi)容的應(yīng)用程序員可以非常幸福地?zé)o需了解具體的磁盤技術(shù)。而同一程序可以在使用不同磁盤技術(shù)的不同系統(tǒng)上運(yùn)行。設(shè)備管理任務(wù)：提高I/O利用率和速度，方便用戶一、緩沖管理緩沖區(qū)：用來解決CPU－I/O矛盾，如：CPU快則應(yīng)多創(chuàng)建緩沖區(qū)。二、設(shè)備分配包括：設(shè)備，設(shè)備控制器，I/O通信的分配和回收三、設(shè)備處理指控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)際的操作，包括讀、寫等以及向CPU發(fā)中斷。設(shè)備處理/驅(qū)動程序應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。四、設(shè)備獨(dú)立性和虛擬設(shè)備獨(dú)立性，即program與設(shè)備無關(guān)性，使program易于重定向，增加了可移植性。虛擬設(shè)備信息管理（文件系統(tǒng)管理）任務(wù)：方便用戶，提供安全性一、文件存貯空間的管理例：creatfile：文件系統(tǒng)根據(jù)文件長度自動分配連續(xù)或離散的扇區(qū)，并提供“一句柄”表示該文件。二、目錄管理使用戶按名存取，提高速度。三、文件的讀、寫管理和存取控制（保護(hù)）1.2操作系統(tǒng)的歷史和基本類型1.2.1手工操作階段人工操作方式如紙帶輸入機(jī)。特點(diǎn)是用戶獨(dú)占全機(jī)及CPU等待人工操作。脫機(jī)I/O方式（圖1.2）引入I/O機(jī)的概念，解決前者的缺點(diǎn)。特點(diǎn)是減少了CPU的空閑時間且提高I/O速度。1.2.2早期批處理處理過程（圖1.3）監(jiān)督程序（monitor）概念：系統(tǒng)對作業(yè)的處理都是成批進(jìn)行的、且內(nèi)存中始終只保持一道作業(yè)，稱為單道批處理系統(tǒng)（simplebatchsystem）。批處理系統(tǒng)的引入是為了提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量概念：運(yùn)行控制權(quán)特征自動性、順序性、單道性圖1－3還有下一個作業(yè)？把下一個作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有錯嗎？裝配目標(biāo)程序運(yùn)行目標(biāo)程序開始是否停止是否1.2.3多道批處理系統(tǒng)基本概念多道：系統(tǒng)中同時駐留多個作業(yè)多道引入的優(yōu)點(diǎn)：提高CPU利用率提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率提高了系統(tǒng)吞吐量特征多道性、無序性、調(diào)度性：作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度缺點(diǎn)平均周轉(zhuǎn)時間長、無交互能力1.2.4分時操作系統(tǒng)分時系統(tǒng)的產(chǎn)生概念：指一臺主機(jī)上連接了多個帶有顯示器和鍵盤的終端，同時允許多個用戶共享主機(jī)中的資源，各個用戶都可通過自己的終端以交互方式使用計(jì)算機(jī)。是用戶的需求：人機(jī)交互性共享主機(jī)便于用戶上機(jī)分時系統(tǒng)（2）分時系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時接收：多終端卡、輸入緩沖區(qū)及時處理：交互作業(yè)應(yīng)在內(nèi)存、響應(yīng)時間應(yīng)短分時系統(tǒng)(3)分時系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法交互式作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存以分配時間片方式實(shí)現(xiàn)類型：單道分時系統(tǒng)具有前、后臺的分時系統(tǒng)僅當(dāng)前臺無作業(yè)或在調(diào)進(jìn)、出時，才運(yùn)行后臺批處理作業(yè)。多道分時系統(tǒng)不需要調(diào)入、出開銷。分時系統(tǒng)(4)分時系統(tǒng)的特征多路性、獨(dú)立性、及時性、交互性1.2.5實(shí)時操作系統(tǒng)引入：要求及時處理的場合概念：系統(tǒng)能及時響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定時間內(nèi)完成對該事件的處理。類型實(shí)時控制實(shí)時信息處理實(shí)時系統(tǒng)(2)實(shí)時任務(wù)類型按任務(wù)執(zhí)行是否呈現(xiàn)周期性來劃分周期性的（聯(lián)系周期）；非周期性的（聯(lián)系開始或完成截止時間）根據(jù)對截止時間的要求來劃分硬實(shí)時任務(wù)軟實(shí)時任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)(3)實(shí)時、分時的比較多路性：相同獨(dú)立性：相同及時性：實(shí)時系統(tǒng)要求更高交互性：分時系統(tǒng)交互性更強(qiáng)可靠性：實(shí)時系統(tǒng)要求更高1.2.6通用操作系統(tǒng)由批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實(shí)時系統(tǒng)中兩個或兩個以上系統(tǒng)構(gòu)成，分前后臺工作。1.2.7個人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)聯(lián)機(jī)的單用戶操作系統(tǒng)，一般能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)，以Windows系列和Linux系統(tǒng)為主。1.2.8網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將地理上分散的具有自主能力的多個計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備連接起來，以實(shí)現(xiàn)信息交換、資源共享、應(yīng)用互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)NOS是建立在主機(jī)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，用于管理網(wǎng)絡(luò)通信和共享資源，協(xié)調(diào)各主機(jī)上任務(wù)的運(yùn)行，并向用戶提供統(tǒng)一的、有效的網(wǎng)絡(luò)接口的軟件的集合。

NOS的功能：數(shù)據(jù)通信、資源管理、網(wǎng)絡(luò)管理、提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、提供網(wǎng)絡(luò)接口1.2.9分布式操作系統(tǒng)分布式OS的定義：和網(wǎng)絡(luò)OS類似分布式OS的特點(diǎn)：和網(wǎng)絡(luò)OS比較分布性、并行性、透明性、共享性、健壯性O(shè)S的用戶接口1.4.5用戶接口一、命令接口由一組“命令”集組成，分為聯(lián)機(jī)和脫機(jī)用戶接口1.聯(lián)機(jī)用戶接口由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成2.脫機(jī)（批處理用戶接口）用JCL寫作業(yè)說明書OS的用戶接口二、程序接口系統(tǒng)調(diào)用高級語言的庫函數(shù)三、圖形接口如win的copy文件，采用“拖”來完成，生動，不需記憶

操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體式（無結(jié)構(gòu)）系統(tǒng)層次式系統(tǒng)虛擬機(jī)系統(tǒng)客戶服務(wù)器系統(tǒng)整體式系統(tǒng)一組過程集，各過程可相互調(diào)用。在整體式系統(tǒng)中，為了構(gòu)造最終的目標(biāo)操作系統(tǒng)，開發(fā)人員首先將一些獨(dú)立的過程進(jìn)行編譯，然后用鏈接程序?qū)⑵滏溄釉谝黄鸱Q為一個單獨(dú)的目標(biāo)程序。從信息隱藏的觀點(diǎn)來看，沒有任何程度的隱藏，每個過程都對其它過程可見。存在一些程度很低的結(jié)構(gòu)化。系統(tǒng)調(diào)用的過程是：首先將參數(shù)放入預(yù)先確定的寄存器或堆棧中，然后執(zhí)行一條特殊的陷入指令，即訪管指令或內(nèi)核調(diào)用指令。這條指令將機(jī)器由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，并將控制轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)隨后檢查調(diào)用的參數(shù)以確定應(yīng)該執(zhí)行哪條系統(tǒng)調(diào)用，然后查一張系統(tǒng)調(diào)用表，記錄了每條系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程，它確定了將調(diào)用的服務(wù)例程。系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，控制返回給用戶程序，繼續(xù)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用后的語句。這種組織方式提出了操作系統(tǒng)的一種基本結(jié)構(gòu)：1、一個用來調(diào)用被請求服務(wù)例程的主程序。2、一套執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的服務(wù)例程。3、一套支持服務(wù)例程的工具過程。層次式系統(tǒng)虛擬機(jī)系統(tǒng)IBM的VM/370。基于如下思想：一個分時系統(tǒng)應(yīng)該提供以下特性（1）多道程序，（2）一個具有比裸機(jī)更方便界面的可擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)。VM/370將二者徹底隔離開來。該系統(tǒng)的內(nèi)核稱為虛擬機(jī)監(jiān)控程序，它在裸機(jī)上運(yùn)行并具備多道程序功能。向上層提供了若干臺虛擬機(jī)。與其它操作系統(tǒng)不同的是，這些虛擬機(jī)不是那種具有文件等良好特征的擴(kuò)展計(jì)算機(jī)，而僅僅是裸機(jī)硬件的精確副本。不同的虛擬機(jī)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，而且往往如此。某些虛擬機(jī)運(yùn)行OS/360的后續(xù)版本做批處理或事務(wù)處理，同時另一些虛擬機(jī)運(yùn)行一個單用戶交互系統(tǒng)供分時用戶使用，該系統(tǒng)稱為CMS（會話監(jiān)控系統(tǒng)）。當(dāng)CMS上的程序執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用時，該系統(tǒng)調(diào)用陷入自己的虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)，而不是VM/370。然后CMS發(fā)出正常的硬件I/O指令來執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。這些I/O調(diào)用被VM/370捕獲，隨后VM/370執(zhí)行這些指令。虛擬機(jī)的思想被廣泛采用：例如在奔騰CPU上運(yùn)行老的MS-DOS程序。在設(shè)計(jì)奔騰芯片軟硬件時，Intel和Microsoft都意識到要使老軟件能夠在新硬件下運(yùn)行，于是Intel在奔騰芯片上提供了一個虛擬8086模式。該模式被Windows等操作系統(tǒng)用于運(yùn)行MS-DOS程序。實(shí)際上，MIT的研究人員構(gòu)造了一個系統(tǒng)，其中每個用戶都