操作系统_Chapter2

第2章 操作系统概述

2.1 操作系统的目标和功能

• 操作系统是控制应用程序执行的程序，是应用程序和计算机硬件间的接口
• 三个目标：
  • 方便：使计算机更易于使用（人机接口）
  • 有效：以更有效的方式使用计算机系统资源（资源管理器）
  • 扩展能力：在不妨碍服务的前提下，有效地开发、测试和引入新的系统功能（操作系统）

2.1.1 作为用户/计算机接口的操作系统

• 操作系统通常提供以下几个方面的服务：
  • 程序开发：提供帮助程序员开发的工具和服务（编辑器和调试器）
  • 程序运行：为用户处理运行程序时的资源调度问题
  • I/O设备访问：提供操作I/O设备的统一接口
  • 文件访问控制：可提供保护机制
  • 系统访问：提供对资源和数据的保护，以避免未授权用户的访问，同时解决资源竞争时的冲突问题
  • 错误检测和响应：提供响应以清除错误条件

2.1.2 作为资源管理器的操作系统

• 操作系统作为控制机制的两方面不同：
  • 与普通计算机软件的作用相同，是由处理器执行的一段或一组程序
  • 经常会释放控制，让其余就绪进程得到CPU以执行，而且必须依赖处理器恢复控制
• 操作系统一部分在内存中，包括内核程序（kernel/nucleus）（包含OS最常用功能，是核心）和当前正在使用的其他程序
• OS决定何时使用I/O设备、控制文件的访问和使用，并且决定在运行一个特定的用户程序时，可以分配多少处理器时间

2.1.3 操作系统的易扩展性

• 重要的操作系统要不断发展，原因如下：
  • 硬件升级和新型硬件的出现
  • 新的服务
  • 纠正错误

2.2 操作系统的发展史

2.2.1 串行处理

• 程序员直接和计算机硬件打交道，没有操作系统
• 两个主要问题：
  • 调度：大多数装置使用硬拷贝登记表来预订机器时间，有时预订时间大于工作所需时间造成计算机闲置；有时出现问题来不及解决时间就到了
  • 准备时间：称为作业的单个程序，在运行前的准备工作若发生了错误，用户只能从头开始，因此花费大量时间

2.2.2 简单批处理系统

• 使用一个监控程序（monitor）的软件，操作员把作业按顺序组织成批，放在输入设备上，供监控程序使用，每完成一个程序返回到监控程序，加载下一个程序
• 两个角度：
  • 监控程序角度：控制事件的顺序。大部分监控程序总是处于内存中并且可以执行，称为常驻监控程序（resident monitor），其他部分包括一些实用程序和公用函数
  • 处理器角度：“控制权交给作业”表示处理器当前取的和执行的都是用户程序中的指令；“控制权返回给监控程序”表示处理器当前从监控程序中取指令并执行（CPU在monitor和用户作业间的使用权限转换来看简单批处理）
• 监控程序完成调度功能也改善了作业的准备时间，每个作业中的指令均以一种作业控制语言（Job Control Language，JCL）的基本形式给出
• 其他硬件功能：
  • 内存保护：用户程序运行时不能改变包含监控程序的内存区域
  • 定时器：防止一个作业独占系统
  • 特权指令：只能由监控程序执行（I/O指令等）
  • 中断
• 内存保护和特权指令引出了运行模式的概念：
  • 用户模式（user mode）：用户程序执行，部分内存区域受保护，特权指令不允许执行
  • 内核模式（kernel mode）：监控程序执行，可以执行特权指令，可以访问受保护内存

2.2.3 多道批处理系统

• 简单批处理的作业经常I/O命令，一旦I/O中断，若内存中只有一个用户作业，则CPU要等待
• 多道程序设计（multiprogramming）/多任务处理（multitasking）：内存空间容得下操作系统和多个用户程序，当一个作业需要等待I/O时，处理器切换到另一个可能并不在等待I/O的作业
• 需要注意的问题：
  • 内存管理：待运行的作业需要保存在内存中
  • 调度：处理器决定运行哪个作业
  • 资源竞争

2.2.4 分时系统

• 多个用户分享处理器时间，该技术称为分时（time sharing）

• 在分时系统中，多个用户可以通过终端同时访问系统，由操作系统控制每个用户程序在很短的时间内交替执行

• 多道批处理与分时的比较

  	多道批处理	分时
  主要目标	充分利用处理器	减小响应时间
  操作系统指令源	作业控制语言命令（JCL） 作业提供的命令	终端键入的命令

• 时间片（time slicing）：在固定的时间间隔内，当前用户被抢占，另一个用户被载入的技术

• 也存在内存管理、访问控制、资源竞争的问题

2.3 主要成就

• 4个重要理论进展：
  • 进程
  • 内存管理
  • 信息保护和安全
  • 调度和资源管理

2.3.1 进程

• 程序设计出错的主要原因：
  • 不正确的同步：例如不正确的信号机制
  • 失败的互斥：多个用户或程序试图同时访问一个共享资源时，互斥机制出错
  • 不确定的程序操作：程序调度顺序可能会影响某个特定程序的输出结果
  • 死锁：很可能有两个或多个程序相互挂起等待
• 解决以上问题，需要一种系统级方法监控处理器中不同程序的执行，进程为此提供基础
• 进程的组成三部分：
  • 一段可执行的程序
  • 程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓冲区等）
  • 程序的执行上下文
• 执行上下文（execution context）/进程状态（process state）：操作系统用来管理和控制进程所需的内部数据
• 线程（thread）：一个分配了资源的进程可分解为多个并发的线程，这些线程相互协作执行，完成进程的工作

2.3.2 内存管理

• 5项存储器管理职责：
  • 进程隔离
  • 自动分配和管理
  • 支持模块化程序设计
  • 保护和访问控制
  • 长期存储
• 使用虚存和文件系统机制满足上述要求
  • 文件系统：在一个有名称的对象（即文件file）中保存信息，实现长期存储
  • 虚存（virtual memory）：允许程序以逻辑方式访问存储器，不考虑物理内存上的可用空间数量。
  • 程序使用虚地址访问，虚地址将映射成真实的内存地址，如果访问的虚地址不在实际内存中，实际内存中的一部分内容将换到外存中，然后换入所需要的数据块。

2.3.3 信息保护和安全

• 四类安全和保护问题：
  • 可用性：保护系统不被中断
  • 保密性：保护用户不能读取未授权访问的数据
  • 数据完整性：保护数据不被未授权修改
  • 认证：涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法性

2.3.4 调度和资源管理

• 考虑3个因素：
  • 公平性
  • 有差别的响应性
  • 有效性（最大吞吐量、最小响应时间、尽可能多用户）