第一章 操作系统引论

课程定位

地位：计算机相关各专业的一门重要的专业技术基础课程

涉及的内容：现代操作系统变化巨大，其层次，内涵，及在应用领域、技术领域、服务领域等涉及内容很多，没有必要也不可能完全学完，高等学校《操作系统》课程还是局限于其基本原理部分。

本科生教学层次

• OS原理  • OS资源管理  • OS系统服务  • 基于OS编程  • 主流OS案例

课程章节及重要程度

操作系统引论 （★★）

进程管理（ ★★★★★）

处理机调度与死锁（ ★★★★）

存储器管理（ ★★★★★ ）

设备管理（ ★★★）

文件管理（ ★★★★★）

操作系统接口（ ★★★ ）

* 网络操作系统、系统安全、UNIX内核结构

OS的目标：

①方便性：用户无需了解底层硬件，极大方便用户，使得计算机变得易学易用；

②有效性：提高系统资源利用率；提高系统的吞吐量；

③可扩充性：扩充应用软件；适应硬件和体系结构发展，扩充底层管理功能模块等；

④开放性：网络环境，遵循开放互联标准；

OS的作用：

①OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（达成了方便性的目标）；

②OS作为计算机系统资源的管理者（达成有效性目标）；

③OS用作扩充机器，实现了对计算机资源的抽象（可扩充性）；

                    操作系统的方式

单道批处理系统  作业成批处理，内存中只有一道；

 特征：单道性；顺序性；自动性；

 优点：

     ①一定程度解决人机矛盾，CPU与I/O速度矛盾；

     ②提高了资源利用率和系统吞吐量；

     ③算作OS的前身，但还不是现在所理解的OS；

多道批处理系统 （一个重要的思想诞生：多道程序设计）

用户作业、外存上队列，称为“后备队列”；

作业调度程序、按照一定的算法、从后备队列中选择若干作业调入内存

入内存的作业   共享CPU和系统中的各种资源，自动批量处理；

“多道”程序的好处：

     ①CPU利用率提高：减少了CPU等待时间（正在运行的程序若因为I/O操作暂停，可调度其他程序执行，不必装卸）；

     ②内存利用率提高：容量尽可能多的被利用；

     ③多种I/O设备并发被使用，也提高了利用率；

     ④总体→系统吞吐量增加（虽然CPU总是串行的，但一段时间被运行的作业数相对要多）；

多道批处理系统的特征：

①多道性

②无序性    作业进入内存由算法决定，不按提交顺序；入内存后顺序执行；

③调度性    作业调度、进程调度

多道批处理系统的优缺点：

优点：

资源利用率高：CPU和内存利用率较高；

系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；

缺点：

平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；

无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；

多道批处理系统解决的五大问题：

a.处理机管理问题 b.内存管理问题 c.I/O设备管理问题 d.文件管理问题 e.作业管理问题

操作系统定义

操作系统是一组 控制和管理计算机硬件和软件资源，

合理地对各类作业进行调度（多道），方便用户使用的程序的集合。

5.分时系统 主要目的   交互性

1）分时系统的产生

      用户的新需求是主要动力：

      A.人机交互   B.共享主机   C.便于用户上机

2）分时系统实现中的关键问题

交互：当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。

共享：强调即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。

3）分时系统的实现方法

改变批处理系统的运行方式：

①多个用户连接主机；

②请求的作业发送到主机后，直接进入主机内存以快速响应；

③系统采用时间片轮转方式处理服务请求

响应时间RT(response time)≈时间片×用户数

时间片：就是分配给进程运行的一段时间（time slice）。

分时系统是多道程序的逻辑扩充；

分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。

4）分时系统的特征：      多路、独立、及时、交互

多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。

宏观上：是多个人同时使用一个CPU

微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU

独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。

及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。

交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。

6 .实时系统实时控制；实施信息处理；

实时系统是指：系统能及时或（即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务

协调一致地运行。     

操作系统分类 

(1)单用户OS：一次只能支持一个用户作业的运行。

(2)批处理OS：用户作业以成批的方式提交给计算机。

(3)分时OS：允许多个用户同时与计算机系统交互。

(4)实时OS：能够及时响应随机发生的外部事件，并对外部事件做出快速处理，对来自外部的请求和信号在限定的时间范围内做出响应。实时性和可靠性是其重要特点。

(5)网络OS：面向网络上多用户，提供基本的网络操作所需要的功能，如文件共享，内存管理和进程任务调度等。

(6)分布式OS：是最高级的操作系统，管理整个系统(包括网络)中的所有资源，负责所有资源的分配和调度、任务的划分和具体安排、信息传递和控制。分布式操作系统的主要特点是各节点的自治性；资源共享的透明性；各节点间的协同性；系统的坚定性。

(7)嵌入式OS：与应用紧密结合、专用性很强、可裁剪。

分布式OS与网络OS的比较

1、分布性(控制和处理都是分布的)

分布式OS不是集中地驻留在某一个站点，而是较均匀地分布在系统的各个站点上，所以OS的处理和控制功能是分布式的。

计算机网络也具有分布处理功能，但网络的控制功能，是集中在某个主机或网络服务器中，或说控制方式是集中式的。处理是分布的。

2、并行性

分布式处理系统，具有多个处理单元，分布式OS的任务分配程序可将多个任务分配到多个处理单元上，使这些任务并行执行，从而加速了任务的执行。

计算机网络中，每个用户的一个或多个任务通常都在自己(本地)的计算机上处理，所以，在网络OS中无任务分配功能。

3、透明性

分布式OS能很好地隐藏系统内部的实现细节，如：对象的物理位置，并发控制，系统故障等，对用户都是透明的。  

当用户访问某个文件时，只需提供文件名而无须知道它是驻留在哪个站点上，即可对它进行访问，即物理位置是透明的。

网络OS，也有一定的透明性，但主要是指在操作实现上的透明性。如：当用户要访问服务器上的文件时，只需发出相应的文件存取命令，而无须了解对该文件的存取是如何实现的。

4、共享性

分布式系统中，分布在各个站点上的软、硬件资源，可供全系统中的所有用户共享，并能以透明方式对它们进行访问。

网络OS也能提供资源共享，但所共享的资源大多是设置在主机或网络服务器中，而在其它机器上的资源，只能由使用该机的用户独占。

5、健壮性

分布式系统的处理和控制功能是分布的，任何站上的故障，都不会给系统造成太大的影响，并且，当某设备出现故障时，可通过容错技术实现系统重构，使系统能正常运行，所以，系统具有健壮性，即具有较好的可用性和可靠性。

网络OS中，其控制功能大多集中在主机或服务器中，使系统具有潜在的不可靠性，此外，系统的重构功能也较弱。

                               1.3操作系统的基本特征

并发  共享  虚拟 异步

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生

并发性：两个或多个事件在同一时间段发生

互斥共享方式：

对临界资源（如打印机）采用该方式，资源分配给某进程后未释放前，不能被其他进程所用。

  临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源。

同时访问方式：

对允许“同时”访问的资源（如磁盘）采用该方式，但“同时”仍然是“宏观并行微观串行”的，不是真正的同时

时分复用  一物品多人分时使用            空分复用 一物品划分为多个部分

异步指进程的执行顺序和执行时间的不确定性，  允许异步 但结果应正确

1.4 操作系统的主要功能

处理机管理功能 1.进程控制  2.进程同步 3.进程通信 4.调度

 存储器管理功能 1.内存分配  2.内存保护 3.地址映射（变换）4.内存扩充

设备管理功能  1.缓冲管理 2.设备分配 3.设备处理

文件管理功能 1.存储空间的管理 2.目录管理 3.文件的读写管理和保护

用户接口 1.命令接口  2.程序接口 3.图形接口