简体中文引论
1 操作系统的定义和作用 #
1.1 操作系统定义 #
操作系统是计算机中的一个系统软件，是一系列程序模块的集合。
- 它们能尽可能以有效 、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；
- 使得用户更加灵活、方便的使用计算机，使整个计算机系统高效运行；
有效：指系统效率，资源利用率。如cpu利用率是否充足，I/O设备是否忙碌等。
合理：软硬件资源的管理是否公平合理。
1.2 操作系统的作用 #
- 资源的管理者
- 向用户提供各种服务
- 对硬件机器的拓展
1.2.1 OS是资源的管理者 #
自底向上，操作系统是资源的管理者。
资源：
- 硬件（CPU，内存，设备（I/O设备，磁盘，时钟，网卡等））
- 软件（磁盘上的文件，各类管理信息）
1.2.2 OS如何管理资源 #
- 跟踪资源的使用情况 （数据结构）
- 哪些资源空闲，分配给谁，允许使用多长时间等
- 资源分配策略 （算法）
静态分配策略- 动态分配策略（被采纳）
- 实施资源的分配和回收
- 提高资源的利用率
- 保护资源的使用
- 协调多个进程对资源请求的冲突
1.2.3 OS的5大功能——从资源管理的角度 #
- 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
1.2.4 OS是系统各种系统服务的提供者 #
- 从用户的角度，操作系统提供了一组功能强大、方便易用的命令或系统调用。
- 操作系统提供的典型服务，如进程的创建、执行，文件和目录的操作，I/O设备的使用，各类统计信息等等。
1.2.5 OS是硬件之上的第一层软件 #
- 操作系统在应用程序和硬件之间建立了一个等价的扩展机器
- 对硬件抽象，提高可移植性，相比对底层硬件更容易编程
2 操作系统的主要特征 #
- 并发（concurrency）
- 共享（sharing）
- 虚拟（virtual）
- 随机（random）
2.1 并发 #
并发（concurrency）：处理多个同时性活动的能力。
并发引发的问题： 活动切换、保护、相互依赖的活动间的同步。
计算机系统中同时存在多个程序运行，单CPU上，
- 宏观上，这些程序在同时运行
- 微观上，任何时刻都只有一个程序在执行（时间片）
并行（parallel）：与并行相似，但指不同程序同时在多个硬件部件上执行。
2.2 共享 #
操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统的资源（共享有限的系统资源）。
操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。
资源在同一时间段内交替被多个进程所用。
根据资源被使用的特性，共享可以分为
- 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，以及如何保护资源完整性…
2.3 虚拟 #
- 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时或者分空间
- 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可以提高资源利用率
CPU——每个进程的”虚处理机“；
存储器——每个进程都有独立的虚拟地址空间（代码+数据+堆栈）；
显示设备——多窗口或虚拟终端
2.4 随机 #
操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件作出响应并处理。
进程运行的速度不可预知：多个进程并发运行，无法预知每个进程的运行推进的快慢。
难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）。
3 典型操作系统的架构 #
3.1 Windows #
Reference: Windows操作系统的体系结构
核心概念-自底向上：
- 硬件接口
- 内核态
- HAL 硬件抽象层
- kernel 内核
- 设备/文件驱动
- 图形设备
- I/O管理
- …
- 用户态
- 系统支持服务
- 应用程序
- 环境子系统
- Ntdll.dll
3.2 Unix/Linux #
Reference: Unix/Linux的体系架构-简书
4 操作系统分类 #
4.1 传统操作系统分类 #
- 批处理操作系统
- 实时操作系统
- 网络操作系统
- 嵌入式操作系统
- 分时系统
- 个人计算机操作系统
- 分布式操作系统
4.1.1 批处理操作系统 #
基本概念 #
工作方式：
- 用户将作业交给系统操作员；
- 系统操作员将许多用户的作业组成一个作业，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；
- 启动操作系统；
- 系统自动、依次执行每个作业；
- 操作员将作业结果交给用户。
追求目标： 提供系统资源利用率，增加作业处理吞吐量。
作业的内含：
- 用户程序
- 数据
- 作业说明书（用作业控制语言编写-类脚本）
成批： 通常由多个作业组成，用户提交作业后，只能等待处理结果，不能干预自己作业的执行。
批处理作业：
对一批作业中的每个作业进行相同的处理：从磁带读取用户作业和编译链接程序，编译链接用户作业以生成可执行程序；启动执行；执行并输出结果。
不足：慢速的输入输出直接由主机完成，此过程中CPU出于等待状态，造成资源浪费。
解决方案：使用卫星机，仅仅完成输入输出的工作，处理结果暂存在磁带或磁盘上。
SPOOLING技术 #
- 批处理系统的实现通常采用的技术
- 1961年，🇬🇧曼切斯特大学，Atalas机（原型）
- Simultaneous Peripheral Operation On-Line （同时的外围设备联机操作，又称假脱机技术）
- 思想：利用磁盘作为缓冲，将输入、计算、输出分别组成独立的任务流，使I/O和计算真正并行
工作原理：
现今打印机的打印队列使用了Spooling技术。
4.1.2 分时操作系统 #
时间片（time slice）
操作系统将CPU的时间划分为若干个片段，称为时间片
- 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多人。
分时操作系统追求即时响应。
通用型操作系统：
- 分时系统与批处理系统的结合；
- 原则：分时优先，批处理在后
- ”前台”：需要频繁交互的作业 - 分时处理
- “后台”：时间性要求不严的作业- 批处理
4.1.3 实时操作系统 #
计算机能够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…
第二类：实时通信（信息）处理
电讯（自动交换机），银行，飞机订票，股市行情…
要求（目标）：
- 对外部请求在严格时间范围内作出响应
- 高可靠性
4.1.4 个人计算机操作系统 #
某一时间内为单一用户服务。界面友好，使用方便，丰富的应用软件支持。
4.1.5 网络操作系统 #
基于计算机网络，在计算机网络系统上，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，以及各种网络应用。
目标：
互相通信，资源共享。
4.1.6 分布式操作系统 #
- 分布式系统：或以计算机网络为基础，或以多处理机为基础，基本特征是处理分布在不同计算机上。
- 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。操作系统可以将各种系统任务在分布式系统中的任何处理机上运行，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。
- 处理能力更强，速度更快，可靠性增强，
4.1.7 嵌入式操作系统 #
- 嵌入式系统：
- 在各种设备（汽车、手机、电视、mp3…）、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统。
- 它们是一个大设备、装置或者系统中的一部分，这个大设备，可以不是计算机。
- 通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求的环境中。
- 嵌入式操作系统： 运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统及其操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。
4.1.8 智能卡操作系统（补充） #
智能卡： 一种包含一块CPU芯片的卡片
特点：
- 非常严格的运行能耗和存储空间的限制，有些智能卡只有单项功能，如电子支付
- 有专用的操作系统
有些智能卡是面向Java的，即智能卡的ROM中有一个Java虚拟机解释器。
5 本章重点 #
- 掌握操作系统的概念
- 掌握重要的操作系统技术
- 了解操作系统架构
- 了解 操作系统的分类
