1、操作系统概述（操作系统笔记）

作者: yjaal | 来源:发表于2016-12-13 09:53 被阅读1455次

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

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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。

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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

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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

4.3 Linux架构

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说明：这里只给出了内核组件。

4.4 Android架构

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