一.操作系统引论
1.1操作系统的目标作用
1. OS的目标
§方便性：用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。（可以说不用手，用工具，进入石器时代了。）
§有效性：CPU、I/O、存储等的管理专门、合理地被组织管理起来，提高资源的利用率。
§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。
开放性：网络环境，遵循开放互联标准
2.OS的作用
1) 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。*
用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。
2）OS作为计算机系统资源的管理者
达成有效性目标
处理器 处理器管理
存储器 存储器管理
I/O设备 I/O设备管理
信息(数据和程序) 文件管理
3）OS用作扩充机器
系统软件以及更上层的用户应用软件在操作系统虚拟机上运行：计算机成为功能更强大的多层虚拟机。
1.2 操作系统的发展过程
推动OS萌芽、发展、变化的主要动力：
方便用户
l提高计算机资源利用率
l硬件器件不断更新换代：8bit
->16，32
计算机体系结构的不断发展：单CPU,多CPU,网络
脱机I/O方式的主要优点：
减少了CPU的空闲时间
提高I/O速度
脱机I/O方式的主要缺点：
系统开销大！
单道批处理系统(Simple
Batch Processing System)
•作业成批、脱机方式输入到磁带或磁盘上
•进一步减少脱机I/O中装卸磁带等耗时操作
•系统监督程序(Monitor)控制作业自动过渡，一个接一个的连续处理。
“多道”程序有什么好处
CPU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。）
内存利用率提高：容量尽可能多的被利用
多种I/O设备并发被使用，也提高了利用率
总体->系统吞吐量增加（虽然CPU总是串行的，但一段时间内被运行的作业数相对要多
1）多道批处理系统的特征：
多道性
无序性
作业入内存由算法决定，不按提交顺序。入内存后顺序执行。
调度性
包括作业调度、进程调度
2）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
3）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(time-sharing system)
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。
(1)及时接收：多路卡，缓冲区
(2)及时处理：终端请求作业直接进入内存，设置时间片
3）分时系统的实现方法
改变批处理系统的运行方式：
q多个用户连接主机
q请求的作业发送到主机后，直接进入主机内存以快速响应
q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）
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(Real-Time System)
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
各种典型操作系统各有特色，但均具有共同的基本特征：
1.3操作系统的基本特性
并发、共享、 虚拟、异步
1.并发concurrence
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段发生
并发和进程是现代OS最重要的基本概念
2.共享sharing
系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。主要有两种共享方式：
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
３.虚拟virtual
通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑对应物（用户感觉上的东西），两种实现方式：
时分复用
一个物品被多人分时使用，在一段时间内就表现为每个人都有一个该物品可用，1虚拟为n。
空分复用
一个物品划分为多个部分，多个人每人都有一部分可用，主观上看也是1虚拟成n
虚拟处理机
时分复用：多道程序分时间使用一个cpu，直观上似乎n个程序有n个CPU一样。
虚拟打印机
时分复用：对一台打印机的n个打印请求进行时间的合理调配，直观上就产生互斥性质的打印机可共享使用，似乎有n个打印机的效果。
４.异步性asynchronism
指进程的执行顺序和执行时间的不确定性
进程的运行速度不可预知
由于资源等因素限制，进程通常不能一气呵成地执行完，多个进程并发执行是“时走时停”的，不可预知每个进程的运行推进快慢；
允许异步，但结果应正确
只要环境相同，无论快慢，结果应该相同（可再现性），这需要进程互斥和同步手段来保证。
�1.4操作系统的功能
处理机管理功能（作业管理）
存储器管理功能
设备管理功能
文件管理功能
用户接口
1）进程控制：
为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换。以及线程的创建撤销等。
（可理解为对单个进程基本信息进行管理）
2）进程同步：
为多个进程运行进行协调（包括互斥和同步）
3）进程通信：
用来实现在相互合作进程间的信息交换；（直接通信和网络通信）
4）调度：
作业调度（入内存）和进程调度（分配CPU）
1.5操作系统的结构设计
无结构OS
模块化OS结构
分层式OS结构
微内核OS结构
