1.3 操作系统的基本特性
各种典型操作系统各有特色，但均具有共同的基本特征：
并发、共享、虚拟、异步
多道并发是最根本的特征，并发引出五大管理功能，同时也使OS有了更多的特征
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
理解CPU并发：
单处理器系统中，多道程序在宏观上看似并行，实际在微观上是多道程序占用cpu交替执行的，并不是真正的“并行”。多处理器系统才有CPU并行。
单处理器系统中的并行：
在硬件技术支持的条件下，CPU 和 I/O操作能实现并行，这也是多道程序设计能够提高效率的原因之一。
* 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
并发和共享互为存在的条件
多个程序并发才导致了资源需要共享
资源共享若没有协调好，必然影响程序的并发执行
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。
虚拟磁盘
时分复用：多个程序可“同时”读写
空分复用：1个硬盘对应成4个逻辑区
虚拟内存
时分复用：一块内存空间分时的分配给多个进程使用，逻辑上扩大内存空间。
空分复用：充分利用内存空闲空间，提高内存利用率
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。用于实现虚拟的技术，就称为虚拟技术。
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 操作系统的主要功能
1.处理机管理功能
传统多道程序系统，处理机分配和运行都以进程为基本单位，对处理机的管理，就是对进程的管理。引入线程后，也包括对线程的管理。
主要解决内存中多道并发执行的“进程”如何占用CPU,如何运行的问题。
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）
2. 存储器管理功能
1）内存分配：为每道程序分配内存空间（包产到户）具体分配涉及许多细节：
分配方式：动态、静态
分配机制需要的数据结构、分配算法、回收内存功能
2）内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行
需要一个硬件——界限寄存器，存放正在执行进程的内存上下界，每条指令的访问地址都要进行越界检查，一般用硬件实现检查
3）地址映射(变换)：进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。
程序编译形成的目标程序地址都是从0开始，是逻辑地址
真正调入内存某个空间存放的地址是物理地址
4）内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题；
请求调入功能
页面置换功能
3. 设备管理功能
1）缓冲管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度；
2）设备分配：按某种设备分配策略，为之分配所需的设备;
应设置设备控制表等数据结构记录设备及其控制器的标识符和状态;不同的设备，分配方式不同
3）设备处理：设备处理程序即驱动程序，及时X响应设备控制器请求，实现CPU和设备控制器之间的通信。
4. 文件管理功能
1）存储空间的管理：分配外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的运行速度;
需要相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况；要有对存储空间分配和回收的功能
2）目录管理：为文件建立目录项，并有效组织，实现方便的按名存取;提供快速的目录查询手段，提高文件检索速度；还需实现文件共享。
3）文件的读写管理和保护：读写操作与有效的存取控制功能。
5. 用户接口
1）命令接口
用户可通过键盘终端发出命令以控制作业的运行。
联机用户接口：由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成。
脱机用户接口：由一组作业控制语言组成，如批处理文件。
2）程序接口
用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。
早期汇编语言才能使用，后高级语言及C语言中都给出了系统调用对应的库函数。
3）图形接口
1.5 操作系统的结构
1.传统的OS结构
1）无结构OS
早期开发OS，只追求实现和效率，缺乏贯穿的设计思想。是一组过程的集合。
问题：
过程互相调用，没有清晰的结构
程序错误很多，调试复杂，阅读维护困难
2）模块化OS结构
20世纪60年代出现的一种程序设计技术。基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度。
制定功能模块
规定各模块接口
划分子模块
称为模块——接口的设计方法，关键是模块的划分和规定接口。
优点：
提高设计的正确性、可理解性和可维护性；
增强了OS的可适应性，可选用相应功能模块，也可进行增减和修补以满足新需求；
加速了开发过程；
问题：
设计初期，模块划分和接口规定不精确并且很难保证完全正确；接口规定与实际完成的模块需求不匹配会发生装配困难。
各模块的设计齐头并进，没有决策顺序，是一种“无序“模块，模块间仍会有复杂依赖关系，反而可能会使OS结构不清晰。
3）分层式OS结构
改进设计方式，变无序为有序——分层的思想
在物理机器上逐渐添加具有一定功能的软件层，每一层仅使用底层提供的功能和服务。（功能流水线）
优点：
易保证系统正确性
易扩充和维护
缺点：
分层单向依赖，执行一个功能，总要自下而上地穿越多层，增加系统通信开销，降低了效率。
2.微内核OS结构
Micro Kernel操作系统结构于20世纪80年代后期发展起来。尤其在多处理机环境下，更适用微内核技术。
与客户/服务器技术，面向对象技术同时发展起来的。微内核OS结构以OS为核心，以C/S为基础，采用了面向对象程序设计方法。
1）Client/Server模式
三部分组成：客户端、服务器、网络系统
交互方式：客户请求，服务器接收消息，回送消息，客户接收消息，四步。
优点：数据分布处理和存储；灵活可扩充，易于修改维护，仍方便集中管理。
2）面向对象编程技术Object-Orientated Programming
具有相同属性、规则的事物抽象成对象，利用被封装的数据结构对具体对象实例进行操作。
进程、线程、消息、存储器都可抽象成对象。
可修改、扩充，具有继承性，容易保证正确和可靠性。
3）微内核
精心设计、实现一个可在其上构建通用OS的基础内核，该内核程序运行在核心态，开机常驻内存。
当前微内核操作系统结构仍没有一致公认的定义，但可从以下4方面进行描述：
1）足够小的内核
微内核并非一个完整的OS。与硬件紧密相关，实现较基本功能，复杂客户和服务器通信。
2）基于C/S模式
3）应用”机制与策略分离“原理
机制——实现某一功能的具体执行机构，位于基层；策略——借助某些参数和算法实现功能优化或达到不同功能目标，位于系统高层。
4）采用面向对象技术
微内核包含的基本功能
进程（线程）管理，包括进程调度、进程通信、进程同步等；低级存储管理；中断和陷入处理。
调度算法、虚拟内存的页面置换算法等都放入外部服务器中实现。
微内核的优点
灵活、可扩充：可选配功能服务器模块
增强可靠性：内核是稳定的核心，只有它能直接访问硬件。服务器在用户态出错绝不会导致系统瘫痪。
可移植性：操作系统绝大部分（各种服务器程序）与硬件平台无关，在不同硬件平台间移植时修改比较小。
该机制尤其适用于分布式系统
采用面向对象技术，减少开发开销
微内核存在的问题
运行效率降低
一次客户请求需要多次消息传递和用户/内核模式的上下文切换，开销增大。
有的服务需要借助其他服务，则需要的切换开销更大。
如何改善：
重新把一些常用基本功能由服务器移入内核。代价就是内核容量增大，接口定义和性能也将受影响。
微内核系统举例——Mach OS
美国卡内基梅隆Carngie-Mellon大学研制
它实现了一个微小的内核，包括线程调度、消息传递、虚拟内存和设备驱动。除这些之外，其它各种应用程序接口、文件系统、网络等等都运行在用户模式下。
然而，在Mach微内核操作系统的商用实现中，基本上所有的文件系统、网络和内存管理代码都运行在内核模式。因为纯微内核系统过于低效，在商用上是不切实际的。
Windows NT
是微内核的，严格意义上讲，是混合内核
它让一些微核结构运行在用户空间的代码运行在内核空间，这样让内核的运行效率更高些。
LINUX
单内核，层次化设计了模块机制
从整体上看，在当前的硬件条件下，微内核在效率上的损失小于其在结构上获得的收益，故而选取微内核成为操作系统的一大潮流。微内核结构将是21世纪的主流OS结构。它可有效支持多处理机，非常适用分布式系统。
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