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1、章录2021-09-07计算机操作系统（第四版）学习笔记：第章第章 操作系统引论1.1 操作系统的标和作1.1.1 操作系统的标1. 便性可以使编译命令将户采级语书写的程序翻译成机器代码，或者直接通过 OS 所提供的各种命令操纵计算机系统。2. 有效性（1）提系统资源的利率（2）提系统的吞吐量3. 可扩充性结构 - 模块化结构 - 层次化结构 - 微内核结构4. 开放性系统能遵循世界标准规范。1.1.2 操作系统的作1. 作为户与计算机硬件系统之间的接2. 作为计算机系统资源的管理者裸机：完全软件的计算机系统。3. 实现了对计算机资源的抽象1.1.3 户使计算机的三种式1. 命令式通过键盘输有
2、关命令，直接操纵计算机系统。2. 图标、窗式通过屏幕上的图标和窗来操纵。3. 系统调式OS 提供的组系统调。1.1.4 操作系统的形式化定义计算机系统中的个系统软件，它是这样些程序模块的集合它们管理和控制计算机系统中的软硬件资源，合理地组织计算机的作 流程，以便有效地利这些资源为户提供个功能强、使便和可扩展的作环境，从在计算机与其户之间起到接的作。1.2 操作系统的发展过程1.2.1 推动操作系统发展的主要动1. 不断提计算机资源利率2. 便户3. 器件的不断更新迭代4. 计算机体系结构的不断发展5. 不断提出新的应需求1.2.2 操作系统的发展过程1. 操作系统的计算机系统操作式：程序员装穿
3、孔的纸带（卡），得到输出。 缺点：（1）户独占全机。（资源利率低）（2）CPU 等待户操作。（机盾）脱机输 / 输出式：通过外围机控制动输输出。脱机的优点：（1）减少了 CPU 的空闲时间（2）提了 I/O 速度2. 单道批处理系统处理完个作业后，系统能够紧接着处理下个作业。 特征：动性、顺序性、单道性缺点：（1）I/O 设备和 CPU 不能同时作，导致低效性（2）不能充分利系统资源3. 多道批处理系统户所提交的作业都先存放在外存上并排成个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按定的算法从后备队列中选择若个作业调内存，使它们共享 CPU 和系统中的各种资源。为了使系统中的多道程序协调运，
4、配置了组软件来解决多道程序对系统资源的共享和争问题，以及对作业进合理的组织和调度。这就形成了现代意义上的 OS。特征：多道性、序性、调度性优点：（1）资源利率（2）系统吞吐量缺点：（1）作业平均周转时间长（2）户交互性差4. 分时系统在台主机上连接多个带显器和键盘的终端，同时允许多个户通过的终端以交互的式使计算机，共享硬件和软件资源。 并让每个户都觉得独占主机。关键问题：（1）及时接收。（2）及时处理。解决案：分时技术（时间）。把处理机的时间分成很短的时间（如百毫秒），轮流地分配给各个终端作业使。如果在分配给它的时间内，作业仍然没有执完，它也必须将 CPU 交给下个作业使，并等下轮得到 CPU
5、 时再继续执。特征：多路性、独性、及时性、交互性5. 实 时 系 统 “实时”表“及时”。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致地运。类型：（1）业（武器）控制系统（2）信息查询系统（3）多媒体系统（4）嵌式系统实时任务的类型：1. 周期性实时任务 和 周期性实时任务开始截时间：某任务在某时间以前必须开始执完成截时间：某任务在某时间以前必须完成2. 硬实时任务：必须满截时间的要求软实时任务：不必须，影响不特征：多路性、独性、及时性、交互性、可靠性6. 微机操作系统1. 单户单任务操作系统2. 单户多任务操作系统3. 多户多
6、任务操作系统7. 通操作系统前的操作系统，通常具有分时、实时和批处理功能，称作通操作系统。可适于计算、事务处理等多种领域，能运在多种硬件平台上，如 UNIX 系统、Windows、Linux 等。通化1.3 操作系统的基本特性批处理系统：资源利率和系统吞吐量分时系统：能够获得及时响应实时系统：具有实时特征1.3.1 并发1. 并：两个或多个事件在同时刻发2. 并发：两个或多个事件在同时间间隔内发引进程和线程来实现并发。单处理器：在多道程序处理时，宏观上并发，微观上交替执多处理器：可以并发执的程序被分配到多个处理机上，实现并执，即利每个处理机来处理个可并发执的程序，这样，多个 程序便可同时执1.
7、3.2 共享系统中的资源远少于多道程序需求的总和，会形成它们对共享资源的争夺。 两类共享式：1. 互斥共享： 资源分配后到释放前，不能被其他进程所使。把在段时间内只允许个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。（直）2. 同时访问： 允许段时间内由多个进程“同时”访问，但在微观意义上，这些进程对资源的访问是交替的。（交替）1.3.3 虚拟虚拟：将个物理实体变为若个逻辑上的对应物。 两种虚拟技术：1. 时分复技术（利空闲时间）（1）多道程序设计技术为每道程序建少个进程，让多道程序并发执。每个程序交替进，让每个程序的户感受到处理器专门为他服务。（2）虚拟设备技术（假脱机技术）将台物理 I/O 设备虚
8、拟为多台 I/O 设备，允许每个户占台逻辑上的 I/O 设备。通过轮流分配资源，可以实现户设备之间的“共享”。例如，多台打印机进同时打印。2. 空分复技术（利空闲空间）（1）虚拟存储技术（虚拟存储器）每次只把户程序的部分从外存调内存运，运完成后将该部分换出，再换另部分到内存运。通过这样的置换功能实现 逻辑上的“扩容”。注意：若台物理设备虚拟为 N 台逻辑设备，则每台逻辑设备的平均速度物理设备速度的 1 / N，每台逻辑设备的平均占空间物理设备空间的 1 / N。（2）虚拟磁盘技术（*）1.3.4 异步由于资源等因素的限制，使进程的执通常不可能“呵成”，是“停停”，这样就导致了进程运的不确定性。
9、 异步性也称不确定性，指进程的执顺序和执时间的不确定性。主要包括以下两点：1. 进程的运速度不可预知。分时系统中，多个进程并发执，时时停，不可预知每个进程的运推进快慢2. 难以重现系统在某个时刻的状态。但是，只要其他条件完全相同（运环境、OS 进程同步机制等），即便同作业在不同的机器上经过多次运，也都会获得相同的结果。1.3.5 四基本特征之间的关系1. 并发是操作系统最重要，最基本的特征2. 并发和共享互为存在的条件3. 虚拟以并发和资源共享为前提4. 异步性是并发和共享的必然结果1.4 操作系统的主要功能1.4.1 处理机管理功能传统的多道程序系统中，处理机的分配和运都是以进程为基本单位的
10、，因此也可以归纳为对进程的管理。标：完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程或线程。1. 进程控制1. 创建、撤销、回收进程。2. 为个进程创建若个线程。3. 进程、线程的资源分配。2. 进程同步1. 进程互斥式：进程在对临界资源进访问时，采互斥式2. 进程同步式：协调进程的执次序3. 进程通信实现进程之间的信息交换。（进程空间）4. 进程调度1. 作业调度：按照定的算法，选取若个作业，分配资源，调内存，创建进程，进处理机的就绪队列中2. 进程调度：按照定的算法，从就绪队列中选出个进程分配处理机，设置运现场，开始执1.4.2 存储器管理功能标：提利率、便户使、提供够的存储空间、
11、便进程并发运1. 内存分配1. 为每道程序分配内存空间2. 提存储器的利率3. 允许正在进的程序申请附加的内存空间2. 内存保护1. 确保每道户程序都仅在的内存空间内运，彼此互不扰。（法：设置程序访问的上下界）2. 不允许户程序访问操作系统的程序的数据，也不允许户程序转移到共享的其他户程序中去。3. 地址映射将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中对应的物理地址。4. 内存扩充借助于虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量。实现的功能有：1. 请求调功能：允许在仅装部分户程序和数据的情况下，便能启动该程序2. 置换功能：能将内存中的部分暂时不的程序和数据调硬盘上1.4.3 设备管理功能标：便户使设备、
12、提 CPU 与 I/O 设备利率1. 缓冲管理在内存中设置缓冲区，缓和 CPU 和 I/O 设备速度不匹配的盾，提 CPU 的利率。2. 设备分配根据户进程的 I/O 请求和系统现有资源，按照某种分配策略为其分配所需的设备。需要的配置：1. 设备控制表、控制器控制表等数据结构2. 记录设备及控制器等的标识符和状态3. 虚拟设备设备由多个进程共享，每个进程如同独占。4. 设备处理（驱动程序）完成的任务：实现 CPU 和 设备控制器之间的通信。1. 由 CPU 向设备控制器发出 I/O 命令，要求它完成指定的 I/O 操作2. 由 CPU 接受从控制器发来的中断请求，并给予迅速的相应和处理1.4.
13、4 件管理功能标：解决软件资源的存储、共享、保密和保护1. 件存储空间的管理设置相应的数据结构，记录件储存空间的使情况。为每个件分配必要的外存空间，提外存的利率，进提件系统的存取速度。2. 录管理为每个件建个录项并加以有效的组织。实现：1. 按件名存取2. 件共享（外存上保留份副本）3. 快速查询3. 件的读 / 写管理和保护检索件录，件读写指针进读写（同个指针，因为读写不会同时进）。件的保护：1. 防未经核准的户读取件2. 防冒名顶替存取件3. 防以不正确的形式使件1.4.5 操作系统与户之间的接1. 命令接这是指由 OS 提供了组联机命令，供户于组织和控制的作业运。2. 图形接户通过屏幕上
14、的图标和窗来操纵计算机系统和运的程序。3. 编程接提供组系统调，供户程序和系统程序调操作系统功能。1.5 OS 结构设计1.5.1 操作系统的设计原则1. 可维护性：容易修改与否称为可维护性。包括： 改错性维护：改正已发现的错误适应性维护：修改软件，使之适应新的运环境（硬件环境和软件环境）。如，操作系统的移植 完善性维护：增加新功能2. 可靠性。包括：正确性：正确实现所要求的功能和性能稳健性：对意外（故障和误操作）作出适当的处理3. 可理解性：易于理解，以便测试、维护和交流4. 性能：有效地使系统资源；尽可能快地响应户请求1.5.2 结构操作系统多由个设计，内部结构复杂且混乱。优点：（1）定的
15、灵活性（2）效率缺点：（1）不利于调试（2）可读性差，难以维护1.5.3 模块化结构操作系统将整个系统按功能划分成若个具有定独性和的模块，并规定好各模块之间的接，使得它们之间能够交互。其中较的模块还 可以进步的细化为若个模块。（竖着分块）优点：（1）提了 OS 的正确性、可理解性、可维护性（2）增强了OS的可适应性（3）加速了OS的开发过程缺点：（1）功能划分和模块接难保正确和合理（2）模块之间的调关系复杂，降低了模块之间的相对独性，不利于修改1.5.4 分层结构操作系统根据功能调次序以及其他些原则将 OS 划分为若个层次，每层代码只能调较低层代码所提供的功能和服务，使模块间的复杂依赖关系变为
16、单项依赖关系，并消除了某些循环依赖关系。系统每加层，就构成个原来功能更强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠 性。（横着分块）优点：（1）功能明确，调关系清晰，有利于保证设计和实现的正确性（2）低层和层可分别实现，层错误不会影响到低层，易于扩充和维护 缺点：从层到低层需要穿过多个层次，使得运效率低1.5.5 微内核结构操作系统将操作系统划分为两个部分：微内核、多个服务器。1. 微内核能实现最基本功能的操作系统的部分。2. 服务器其余扩展功能放在服务器模块，采了“机制与策略分离”的原理，实现“基础扩展”的划分。1. 机制：实现某功能的具体执机构。处于系统的基层2. 策略：在机制的基础上借助于参数和
17、算法来进功能优化。处于系统的层 采的技术包括：客户 / 服务器技术客户与服务器之间通过消息传递来进通信。消息：定格式的数据结构消息传递过程： 发起调，送出请求消息 请求消息到达并进处理 送出回答消息 整理回答消息，返回结果向对象技术（*）优点：（1）良好的灵活性和可扩展性。 OS的部分功能都是由相对独的服务器来实现的，户可根据需要来选配其中的部分或全部服务器，也可以更新若服务器或增加些新的服务器（2） 可靠性好，移植性强。 微内核设计严格，服务器之间互不影响。（3） 适合分布式系统。 以同样的调形式，在下层可通过核中的络传送到远服务器上（远地过程调 RPC，Remote Procedure Call）。对户，他只需发送个请求，然后等待服务器发来的响应，需知道这条消息是本地处理还是远程处理（4）融了向对象技术。缺点：效率降低。早期的 OS 中，户请求服务时，般只需要 2 次上下的切换：户态 - 系统态；系统态 - 户态。在微内核 OS 中，少需要进 4 次切换（多了服务器的介）。更糟糕的是，当某个服务器法完成任务时，会请求转移给其他服务器运作，这时切换的次数会成倍增加。为了改善效率，可以适当扩展微内核的功能，以减少上下切换次数的期望值。但是也会造成微内核的容量明显增，设计困难，接适 应性下降等问题。