标签：操作系统 引论 系统 用户 分时系统 OS 运行

操作系统的目标和作用

目标

• 方便性
  • 命令和图形界面
• 有效性
  • 提供系统资源利用率
  • 提高系统吞吐量
• 可扩充性
  • 取决于OS的结构
• 开放性
  • 可移植、兼容性

作用

• 作为用户和硬件系统之间的接口
  • 和用户之间通过用户命令
  • 和硬件系统之间通过系统调用（System Call）
• 实现了对计算机资源的抽象（隐藏、扩充）

主要动力

1. 提高资源利用率（分时）
2. 方便用户
3. 器件更新
4. 结构发展
5. 新应用需求

操作系统的发展过程

发展

无 O S → + 处 理 单 道 批 处 理 → 宏 观 上 + 并 行 多 道 批 处 理 → + 管 理 O S 无OS\xrightarrow{+处理}单道批处理\xrightarrow[宏观上]{+并行}多道批处理\xrightarrow{+管理}OS 无OS+处理 ​单道批处理+并行 宏观上​多道批处理+管理 ​OS

无OS

• 人工操作
• 脱机I/O方式
  • 提高效率
  • 提升I/O速度

单道批处理

• 使用监督程序（monitor）
• 内存中只有一道程序
• 存在运行控制权的传递
• 优点
  • 减少了人工操作，自动性
• 缺点
  • 资源利用低
  • I/O操作时CPU闲置

多道批处理

• 采用调度程序（与监督程序对应）

• 多道程序等待CPU

• 优点

  • 提高了内存、I/O设备和CPU的利用率
  • 吞吐量大

• 缺点

  • 平均周期长
  • 无交互能力

• 面临问题

  • 处理机争用
  • 内存分配和保护
  • I/O管理
  • 文件的组织和管理
  • 作业管理
  • 用户与系统的接口

OS

• 一组控制和管理计算机硬软件资源、合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。
• 包括了分时操作系统和实时操作系统。

分时系统

概念

• 指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端。并允许多个用户共享主机中的资源，通过他们自己的终端使用计算机。
• 产生是由于用户的需求
  • 人机交互
  • 共享主机
  • 方便上机

特点

• 及时接收
  • 多终端没有排队
  • 输入缓存
• 及时处理
  • 轮转运行，响应时间短
  • 在内存交互作业，速度快

实现

单道分时系统

• 

• 轮流分时间片给用户使用，同一时间只能运行一个作业。

具有前后台的分时系统

• 

• 前台作业优先级大于后台，可以同时运行一个前台和一个后台程序。

多道分时系统

• 

• 同时可以运行多个作业，轮流开始。

特征

• 多路性
  • 多终端分时共享，提高资源利用率，降低费用。
• 独立性
  • 每个用户在各自的终端上进行操作，虚拟独占主机。
• 及时性
  • 及时响应请求。
• 交互性
  • 用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。

典型系统

• Multics
• UNIX（包含Linux）

Linux=实时系统+分时系统

响应时间

T i = N × Q + T o s + T s w a p T_i=N\times Q+T_{os}+T_{swap} Ti​=N×Q+Tos​+Tswap​

Ti为响应时间，N为用户数量，Q为时间片长度，Tos为系统开销，Tswap为信息交换

• 改善方法
  • 采用重入码减少信息交换。
  • 采用虚拟存储技术，减少信息交换。

实时系统（了解）

概念

• 系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

要求

• 适用场景
  • 要求及时处理的场合
• 实时计算
  • 可以定义为这样一类计算：系统的正确性，不仅由计算的逻辑结果来确定，而且还取决于产生结果的时间。

类型

• 工业控制系统
  • 高实时性
• 信息查询系统
  • 低实时性
• 多媒体系统
  • 多任务的时间协同
• 嵌入式系统
  • 资源有限

任务

• 按任务执行是否呈现周期性来划分

  • 周期性的（联系周期）
  • 非周期性的（联系开始或完成截止时间）

• 根据对截止时间的要求（秒级）来划分

  • 硬实时任务
  • 软实时任务

比较

• 多路性
  • 相同
• 独立性
  • 相同
• 及时性
  • 实时系统要求更高
• 交互性
  • 分时系统交互性更强
• 可靠性
  • 实时系统要求更高

微机系统

• 单用户单任务
  • CP/M
  • MS-DOS
• 单用户多任务
  • Windows系列
• 多用户多任务
  • Unix
  • Solaris
  • Linux

Windows Server是单/多用户系统具有争议。

操作系统的基本特征（重点）

并发

• 概念

  • 并行是指两个及以上的事件在同一时刻发生。
  • 并发是指两个及以上的事件在同一时间间隔发生。

  并发用于解决资源利用的问题。

任务并行

• 宏观

  • 指系统中有多个任务同时运行。

• 微观

  • 指单处理机系统中的任务并发（Task Concurrency：即多个任务在单个处理机上交替运行）或多处理机系统中的任务并行（Task Parallelism：即多个任务在多个处理机上同时运行）。

• 进程（运行中的程序）

  • 系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。
  • 用于管理程序运行。
  • 引入线程后，独立运行的单位变为线程。

线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行。

共享

• 概念
  • 系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
• 同时段同对象。
• 互斥共享
  • 一段时间只允许一个进程访问该资源。
• 资源在宏观上共同使用，在微观上是互斥的。

并发和共享是操作系统的两个最基本特征。

虚拟

• 概念
  • 通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
• 若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n，相当于把资源分成很多份提供给用户们使用。
• 时分复用
  • 虚拟处理机技术
  • 虚拟设备技术
• 空分复用
  • 虚拟存储

异步

• 概念

  • 指进程以不可预知的状态执行。

• 特点

  • 运行进度不可预知。

• 正确性

  • 取决于虚拟的（非上面的虚拟）顺序性。

• 影响

  • 难以重现错误
  • 具有不确定性

操作系统的主要功能

主要任务

• 为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用。

功能

1. 处理机管理（CPU）
2. 存储器管理
3. 设备管理
4. 文件管理
5. 方便用户使用的用户接口

操作系统的结构设计（重点）

概念

• 软件
  • 操作系统是一种软件，所以需要设计。

传统结构

无结构

• 概念
  • 是一组过程集，各个过程可相互调用。
  • 又称为整体系统结构。
• 缺点
  • 逻辑复杂，维护困难

模块化

• 概念
  • 通过将大型程序分解成各个功能模块，以控制复杂度。
• 优点
  • 可维护性、可适应性增强。
  • 开发过程加快。
• 缺点
  • 接口不易确定。
  • 模块之间依赖关系复杂。

分层式

• 概念
  • 按照软件运行速度由下向上分层，下层可为上层提供服务。
  • 底层为硬件，顶层为应用程序。
• 用户接口在高层，公用模块在低层。
• 缺点
  • 无法并行开发。
  • 调用时占用资源多。

微内核

• 概念
  • 将操作系统分成多个模块，只有微内核这个模块在内核态，其余部分都作为普通用户执行。
  • 服务是C/S模式。
• 优点
  • 系统灵活性、可扩充性、可靠性提升了。
  • 适合于分布式系统。
  • 融入了面向对象技术
• 缺点

  • 性能代价太高

  • 

  • 如图，服务a调用服务b必须通过中间的保护机制到内核，再从内核到服务b。

技术

• 使用了面向对象的程序设计技术。
  • 所谓对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。
  • 即使得各类实体（如进程、消息等）存在对象这一概念。
• 可扩展性
  • 隐蔽和封装（类的性质，使得资源被分隔开）
• 继承性
  • 代码复用（类的继承）
• 提升程序正确性和可维护性

特征

• 内核足够小
• 采用C/S模式
• 应用“机制与策略分离”原则
• 采用面向对象技术

基本功能

• 进程管理
• 低级存储管理
• 中断和陷入处理

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来源： https://blog.csdn.net/qq_45969062/article/details/114412234

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