1、操作系统概述(操作系统笔记)
这里是学习了北大的操作系统原理课程做的笔记,这门课有一个好处就是基本上按照《现代操作系统》这本书来讲的,可以对照着看,入门之后最好还是看看MIT
的6.824
,实际操作一下。
一、操作系统做了什么
通过一个例子进行说明:给出一个c
程序helloworld
#include<stdio.h>
int main(int argc, char *argv[]){
puts(“hello world”);
return 0;
}
说明:其功能就是在标准的显示器上显示一个字符串。下面看此程序的执行过程。
-
首先用户要告诉操作系统执行此程序:
如何告知?比如我们可以在命令行输入相应的命令或者双击此程序的图标。 -
操作系统接到用户的请求之后就会到磁盘上找到此程序的相关信息,检查其类型是否是可执行文件;并通过程序首部信息,确定代码和数据在可执行文件中的位置并计算出对应的磁盘块地址。
-
为了要执行此程序,操作系统首先要创建一个新的进程,并将此程序的可执行文件映射到该进程结构,表示由该进行执行此程序。之后操作系统为此程序设置
CPU
上下文环境,并跳到程序开始处(假设调度程序选中了此程序)。 -
当在执行程序的第一条指令的时候会发生缺页异常:因为程序在执行的时候,先要将程序的代码和数据装入内存,
CPU
才能够去执行。但是此时还没有读入内存,于是硬件机制就会捕获此异常,并且把控制权交给操作系统。 -
操作系统管理了系统中的内存,当然内存有很多中,比如这里我们拿页式管理方案的话,内存就会有很多的物理页面,操作系统的内存管理模块就会分配一页空闲物理内存,并且根据前面计算出的磁盘块地址把程序代码读到内存中,然后继续执行程序。有时候程序可能很大,所以一次分配可能不够,于是在执行过程中可能产生多次缺页异常。
-
然后程序执行
puts
函数(系统调用)。而puts函数是一个系统调用,于是控制权又交给了操作系统。 -
操作系统找到要将字符串送往的显示设备,通常设备是由一个进程控制的,所以,操作系统将要写的字符串送给该进程。
-
控制设备的进程告诉设备的窗口系统它要显示的字符串,窗口系统确定这是一个合法的操作,然后将字符串转换成像素,将像素写入设备的存储映像区。
-
然后视频硬件将像素转换成显示器可以接收的一组控制/数据信号。显示器然后解释此信号,激发液晶屏。
总结:
-
从用户的角度看上述执行过程
1
这是从用户角度来看的程序运行过程。
-
从操作系统的角度来看就是,如果操作系统选中了一个程序,那么就去调度此程序执行,程序执行过程中会不断的陷入操作系统,由操作系统去提供一些服务,当服务完成之后操作系统又会去调用程序去执行。
2
二、操作系统的定义和作用
2.1 定义
操作系统是计算机系统中的一个系统软件,是一些程序模块的集合:
- 它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源
- 合理地组织计算机的工作流程,控制程序的执行并向用户提供各种服务功能
- 使得用户能够灵活、方便地使用计算机,使整个计算机系统高效运行。
2.2 操作系统管的作用
2.2.1 资源的管理者:有效
这是从自底向上看的,即从操作系统内部来看。
- 硬件资源:
CPU
、内存、设备等 - 软件资源:磁盘上的文件、各类管理信息等。
1、怎样管理资源?
- 跟踪记录资源的使用状况:这是使用各类数据结构来跟踪的,跟踪的信息有如哪些资源空闲,分配给谁使用,允许使用多长时间等。
- 确定资源分配侧露:即需要相关的算法。如静态分配策略(进程需要的资源一开始就分配好,会导致浪费),动态分配策略(在一个进程的执行过程中什么时候需要什么时候分配)
- 实施资源的分配和回收
- 提供资源利用率
- 保护资源的使用
- 协调多个进程对资源请求的冲突
2、从资源管理的角度:五大基本功能
-
进程/线程管理(
CPU
管理):进程线程状态、控制、同步互斥、通信、调度、… - 存储管理:分配/回收、地址转换、存储保护、内存扩充、…
- 文件管理:文件目录、文件操作、磁盘空间、文件存取控制、…
- 设备管理:设备驱动、分配回收、缓冲技术、…
- 用户接口:系统命令、编程接口
2.2.2 向用户提供各种服务:方便使用
操作系统是各种系统服务的提供者
- 在操作系统之上,从用户角度来看:
操作系统为用户提供了一组功能强大。方便易用的命令或系统调用 - 典型服务:
进程的创建、执行;文件和目录操作;IO
设备的使用;各类统计信息;…
2.2.3 对硬件机器的扩展:扩展能力
操作系统是硬件之上的第一层软件,我们使用操作系统将硬件屏蔽,而让操作系统给我们提供操作各类硬件的接口。因为与硬件相关的工作是很复杂和繁琐的。于是操作系统就是对硬件机器的扩展:
- 操作系统在应用程序与硬件之间建立了一个等价的扩展机器(虚拟机器)
- 对硬件抽象,提高可移植性;比底层硬件更容易编程
三、操作系统的主要特征
主要特征:并发、共享、虚拟、随机
3.1 并发
指处理多个同时性活动的能力。
-
由于并发将可能引起很多问题:活动切换、保护、相互依赖的活动间的同步
-
在计算机系统中同时存在多个程序运行,但
cpu
上:- 宏观上:这些程序同时在执行
- 微观上:任何时刻只有一个程序真正在执行,即这些程序在cpu上是轮流执行的
-
并行:与并发类似,但多指不同程序同时在多个硬件部件上执行,比如多
cpu
系统。
3.2 共享
操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源。
操作系统要对系统资源进行合理的分配和使用,资源在一个时间段内交替被多个进程使用。
- 互斥共享(如打印机)
- 同时共享(如可重入代码、磁盘文件)
- 问题:资源分配难以达到最优化,如何保护资源?
3.3 虚拟
- 一个物理实体(如
cpu
)映射为若干个对应的逻辑实体:分时或分空间 - 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段,可提高资源利用率
3.4 随机
操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应并处理
- 进程的运行速度不可预知
- 难以重现系统在某个时刻的状态(包括运行中的错误)
四、典型的操作系统架构
4.1 Windows架构
34
5
说明:以上是
Windows
架构中一步步抽象的结果。这里不细说。
4.2 UNIX架构
64.3 Linux架构
7说明:这里只给出了内核组件。
4.4 Android架构
8五、操作系统分类
5.1 传统分类
5.1.1 操作系统的发展历程
-
操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用需求的发展、软件新技术的出现而发展。
目标:充分利用硬件和提供更好的服务
发展进程:大型机--->个人计算机--->网络--->移动计算机--->云计算--->泛在计算(物联网)--->机器人 -
分类
批处理操作系统
分时系统
实时操作系统
个人计算机操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
嵌入式操作系统
5.1.2 批处理操作系统
-
工作方式
1、 用户将作业交给系统操作员
2、 系统操作员将许多用户的作业组成一批作业,输入到计算机系统中,在系统中形成一个自动转接的连续的作业流
3、 启动操作系统
4、 系统自动、依次执行每个作业
5、 由操作员将作业结果交给用户 -
目标
提高资源利用率,增加作业处理吞吐量 -
作业包括
用户程序
数据
作业说明书(用作业控制语言编写) -
成批
通常由若干作业组成,用户提交作业后只能等待处理结果,不能干预作业的执行 -
处理
对一批作业中的每个作业进行相同的处理:从磁带读入用户作业和编译连接程序,编译连接用户作业以生成可执行程序;启动执行;输出结果 -
问题
慢速的输入输出处理直接由主机来完成,输入输出时,cpu
处于等待状态 -
解决方案
卫星机:完成面向用户的输入输出,中间结果暂存在磁盘上
5.1.3 分时操作系统
-
时间片
操作系统将cpu
的时间划分为若干个片段,成为时间片。- 操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务,每次服务一个时间片
- 其特点是利用人的错觉,使用户感觉不到计算机在服务其他人
-
目标
及时响应(依据是响应时间) -
响应时间
从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间
5.1.4 通用操作系统
- 分时系统与批处理系统结合
- 原则:分时优先,批处理在后
- “前台”:需要频繁交互的作业
- “后台”:时间性要求不强的作业
5.1.5 实时操作系统
-
是指使计算机能及时响应外部事件的请求,在规定的严格时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作
-
分类
第一类:实时过程控制(工业控制、航空、军事控制等)
第二类:实时通信处理(电讯、银行等) -
目标
对外部请求在严格时间范围内做出响应
高可靠性
5.1.6 个人计算机操作系统
-
计算机在某一时间内为单用户服务
-
目标
界面友好,使用方便,丰富的应用软件
5.1.7 网络操作系统
-
基于计算机网络:在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件
-
功能
网络管理,通信,安全,资源共享和各类网络应用 -
目标
相互通信,资源共享
5.1.8 分布式操作系统
-
分布式系统:或以计算机网络为基础,或以多处理器为基础,基本特征是处理分布在不同的计算机上
-
分布式操作系统是一个统一的操作系统,允许若干计算机可相互协作共同完成一项任务。操作系统可将各种系统任务在复试系统中任何处理机上运行,自动实现全系统范围内的任务分配、自动调度、均衡各处理机的工作负载。
-
处理能力增强、速度更快、可靠性强、具有透明性
5.1.9 嵌入式操作系统
完成某些特定的任务
5.2 另一种分类(TANENBAUM)
- 大型机操作系统
- 服务器操作系统
- 多处理机操作系统
- 个人计算机操作系统
- 掌上计算机操作系统
- 嵌入式操作系统
- 传感器节点操作系统
- 实时操作系统
- 智能卡操作系统