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操作系統(tǒng)

1. 概述

• 什么是操作系統(tǒng)？

  操作系統(tǒng)(Operating System,OS)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行和充當(dāng)硬件系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的界面的軟件

• 操作系統(tǒng)的是用來干嘛的？

  操作系統(tǒng)位于底層硬件與用戶之間，是兩者溝通的橋梁。用戶可以通過操作系統(tǒng)的用戶界面，輸入命令。操作系統(tǒng)則對命令進(jìn)行解釋，驅(qū)動硬件設(shè)備，實現(xiàn)用戶要求。以現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)而言，一個標(biāo)準(zhǔn)PC的操作系統(tǒng)應(yīng)該提供以下的功能：

  1. 進(jìn)程管理。又稱處理器管理，其主要任務(wù)是對處理器的時間進(jìn)行合理分配、對處理器的運(yùn)行實施有效的管理。
  2. 存儲器管理。由于多道程序共享內(nèi)存資源，所以存儲器管理的主要任務(wù)是對存儲器進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充。
  3. 設(shè)備管理。根據(jù)確定的設(shè)備分配原則對設(shè)備進(jìn)行分配，使設(shè)備與主機(jī)能夠并行工作，為用戶提供良好的設(shè)備使用界面。
  4. 文件管理。有效地管理文件的存儲空間，合理地組織和管理文件系統(tǒng)，為文件訪問和文件保護(hù)提供更有效的方法及手段。
  5. 用戶接口。用戶操作計算機(jī)的界面稱為用戶接口（或用戶界面），通過用戶接口，用戶只需進(jìn)行簡單操作，就能實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用處理。

• 操作系統(tǒng)的主要特性

  1. 并發(fā)性：是指兩個或者兩個以上的事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生

  2. 共享性：是指操作系統(tǒng)中的資源（包括硬件資源和信息資源）可以被多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用，而不是被其中的某個程序獨(dú)占

     注意：臨界資源：同一時間內(nèi)只允許一個程序訪問的資源

  3. 異步性：即程序不是一貫到底，而是走走停停的（即什么時候走和什么時候停不確定）

     注意：異步性是并發(fā)性的表現(xiàn)特征，并發(fā)性是異步性的內(nèi)在原因。

  4. 虛擬性：虛擬化，如虛擬機(jī)

• 操作系統(tǒng)的發(fā)展和分類

  1. 操作系統(tǒng)的發(fā)展
     • 人工操作階段
     • 管理程序階段
     • 多道程序設(shè)計和操作系統(tǒng)的形參
  2. 操作系統(tǒng)的分類
     • 批處理操作系統(tǒng)：批量化處理作業(yè)（用戶脫機(jī)操作）
     • 分時操作系統(tǒng)：允許多個聯(lián)機(jī)用戶同時使用一臺計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計算的操作系統(tǒng)
     • 實時操作系統(tǒng)：實時操控

• 操作系統(tǒng)的用戶接口

  1. 程序接口（應(yīng)用編程接口）

     供程序員在編制層序時以程序語句或指令的形式調(diào)用操作系統(tǒng)的服務(wù)和功能。

     • 系統(tǒng)調(diào)用：為了擴(kuò)充機(jī)器功能，增強(qiáng)系統(tǒng)能力、方便用戶使用而在內(nèi)核中建立的過程（函數(shù)）
     • 系統(tǒng)調(diào)用的分類
       • 進(jìn)程和作業(yè)管理
       • 文件管理
       • 設(shè)備管理
       • 內(nèi)存管理
       • 信息維護(hù)
       • 通信

  2. 操作接口（作業(yè)級接口）

     為用戶提供的操作并控制計算機(jī)工作和提供服務(wù)手段的集合

     • 操作控制命令
     • 作業(yè)控制命令
     • 圖形用戶界面
     • 新一代用戶界面

• 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

  1. 操作系統(tǒng)的主要構(gòu)件

     通常把組成操作系統(tǒng)程序的基本單位稱為操作系統(tǒng)構(gòu)件

     主要構(gòu)件有

     • 內(nèi)核：對硬件進(jìn)行首次抽象的一層軟件，也稱為硬件抽象層
     • 進(jìn)程：程序的一次運(yùn)行過程
     • 線程：進(jìn)程中的一個執(zhí)行流
     • 管程：管理共享資源的一種對象

  2. 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

     • 單體式結(jié)構(gòu)：在多數(shù)常見的組織形式的處理方式中，全部操作系統(tǒng)在內(nèi)核態(tài)中以單一程序的方式運(yùn)行。整個操作系統(tǒng)以過程集合的方式編寫，鏈接成一個大型可執(zhí)行二進(jìn)制程序。

     • 層次式結(jié)構(gòu)：單體系統(tǒng)進(jìn)一步通用化，就變成一個層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，它的上層軟件都是在下一層軟件的基礎(chǔ)之上構(gòu)建的。

     • 客戶機(jī)/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：

       采用客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)適宜于應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分布式處理的計算環(huán)境，這種體系又稱微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)如下：
       1.運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核：內(nèi)核提供所有操作系統(tǒng)基本都具有的那些操作，只提供了一個很小的功能集合。
       2.運(yùn)行在用戶態(tài)的并以客戶機(jī)／服務(wù)器方式運(yùn)行的進(jìn)程層：除內(nèi)核部分外，操作系統(tǒng)所有的其他部分被分成若干個相對獨(dú)立的進(jìn)程，每一個進(jìn)程實現(xiàn)一組服務(wù)，稱為服務(wù)進(jìn)程。

  3. 操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型

     • 非進(jìn)程模式：以非進(jìn)程模式運(yùn)行的操作系統(tǒng)，其功能組織成一組例行程序操作系統(tǒng)服務(wù)例程，以系統(tǒng)調(diào)用的形式與用戶進(jìn)程代碼結(jié)合在一起執(zhí)行，構(gòu)成形式上的單一進(jìn)程操作
     • 進(jìn)程模式：將操作系統(tǒng)組織成一組系統(tǒng)進(jìn)程