操作系统引论
操作系统的目标、地位、作用
操作系统的目标
目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有一下几点:
- 有效性
- 方便性
- 可扩充性
- 开放性
操作系统的地位
操作系统地位
操作系统在计算机系统层次结构上起到了一个承上启下的作用，是所有软件中最靠近硬件的系统软件常被看做是计算机硬件的第一层扩充。
操作系统的作用
1.一般用户观点，OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。
2.OS作为计算机系统资源的管理者
OS是各类资源的管理者，计算机系统中各种各样的硬件和软件资源归纳起来可分为四类：
- 处理器
- 存储器
- I/O设备以及信息(数据和程序)
它负责分配、回收及协调各程序和用户对资源的使用冲突，提高资源的利用率。
3.虚拟机器观点
从服务器用户的机器扩充的观点来看，OS为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境。用户不用直接使用硬件计算机(裸机)，而是通过OS来控制和使用计算机,从而把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的计算机系统(称为虚拟计算机)。
它在虚拟机中充当管理员和协调员的觉得，管理计算机中的软硬件资源，并协调多任务、多进程的运行。
4.作业组织的观点
该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。
操作系统负责组织、协调各作业的运行，报告执行结果或错误信息。
减少了人工干预，提高了系统效率。这种工作方式有利于造价高并且性能强大的主机资源。
操作系统的定义
操作系统是计算机系统中的一个系统软件，管理和控制计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，从而在计算机和用户之间起到接口作用。
推动操作系统发展的主要动力
- 器件的不断更新换代
- 方便用户
- 不断提供计算机资源利用率
- 计算机体系结构的不断发展
操作系统的发展与分类
- 第一代计算机1946-1955：计算机主要由电子管组成，无操作系统。
缺点:
1.用户独占全机
2.CPU等待人工操作
脱机输入/输出方式
增加外围机与磁盘来辅助。
优点:
1.减小了CPU的空闲时间
2.提高了I/O速度
单道批处理系统
特征:
1.自动性
2.顺序性
3.单道性
4.交互性差
什么是单道批处理？
外存中存储一批作业，用监控程序，在收集的一批作业中，自动取其中的一道，进去到主机中，由主机进行处理，结果输入到磁盘上，监控程序再取一道，进入主机，开始处理…
单刀批处理系统，某一时刻，内存中只有一道作业在执行。上一个作业未完成，下一个作业无法进入，哪个作业先进去到内存，哪个就先被执行。
多道批处理系统
多道:
允许多个程序同时存在于主存，按照某种原则分配处理机，逐个执行这些程序。
输入，计算，输出。三项工作在多道任务上存在时间上的重叠。
批处理
后备队列
一批作业在外存中等待执行所排成的队列。
就绪队列
等待进去cpu执行的队列。
处理机的自动切换
CPU为一个程序服务，转变为为另一个程序服务的过程。(多道批处理系统下)
单道与多道对比
多道批处理系统，宏观上多个程序都在同时执行。对于单处理机来说CPU只有1个，真正在运行的程序只有1个。
不同策略对应着不同的调度算法。
区别:内存中有一道程序或多道程序。
引入多道程序设计技术带来的好处：
1.提高CPU的利用率
2.可提高内存和I/O设备利用率
3.增加系统吞吐量
多道批处理系统的特征
- 多道性
- 无序性
- 调度性
多道批处理系统的优缺点
- 系统利用率高
- 系统吞吐量大
- 平均周转时间长
- 无交互能力
多道批处理系统需要解决的问题
- 处理机管理问题
- 内存管理问题
- I/O设备管理问题
- 文件管理问题
- 作业管理问题
分时操作系统
如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，是用户的需求。
或者说，分时需用是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。
分时操作系统的实质：
在多道程序设计的基础上，为多个用户配置一个联机主机。
所谓分时操作系统是指将多个用户程序装入内存，系统把CPU的运行时间分为一个个的时间段，每个时间段称为一个时间片。
时间片大小通常为几十毫秒，用户程序轮流获得CPU的时间片。当系统分给用户程序的时间片用完后，系统强行回收CPU，该用户程序等待下次获得时间片时再继续执行。
分时操作系统与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：
- 人机交互
- 共享主机
- 便于用户上机
分时系统实现中的关键问题
- 及时接收
- 及时处理
补充：
(1)引入缓冲区。
(2)分时系统并没有经过作业调度，在用户登录的时候在内存就开辟好了自己的空间。用户的命令直接到达内存。
分时系统的特征
- 多路性
- 独立性
- 及时性
- 交互性
实时系统
所谓”实时“，是表示”及时“，而实时系统是指系统能及时(即时)相应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间。
总结
批处理系统
- 工作方式：将用户意图、数据、程序利用系统提供的作业控制命令提交给操作员，操作员将其输入外存，由OS控制、调度各作业的运行，最后输入结果。是一种非人工的干预方式。有单道和多道批处理系统。
- 目标：提高作业的吞吐量，同时兼顾作业的周转时间。
- 特征：“批量”，成批的完成。
- 优点：作业吞吐量大，资源利用率高，OS开销较小。
- 缺点：用户使用起来不太方便；交互能力较弱；作业平均周转时间长。
分时系统
- 分时：把CPU的运行时间划分为若干个时间片，并把这些时间片依次轮流分配给各终端用户程序。
- 分时系统：多个用户同时使用同一台计算机，系统能分时轮流的为各个终端用户服务，并及时地对用户的请求予以响应。
- 设计目标：对用户响应的及时性，及时地响应和服务于联机用户。
- 特点：同时性(多路性)；及时性；独立性(独占性)；交互性。
实时系统
- 按场合作用，分两类。实时控制系统；实时信息处理系统。
- 目标：实时响应及处理的能力和高可靠性。
- 特征：交互性；安全可靠性；多路性。
操作系统的基本特性
并发与并行
并行性是指两个或多个事件在统一时刻发生。
并发性是指两个或多个时间在同一时间间隔内发生。
共享
在os环境下，所谓共享是指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。
主要两种资源共享方式
- 互斥共享方式
- 同时共享方式
并发和共享的关系
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。
虚拟技术
现在操作系统中主要有两种虚拟技术：时分复用技术和空分复用技术
异步性
异步性是指在多道程序设计环境下，系统中每到程序的推进时间、顺序以及完成时间由于受其运行环境的影响是不确定的、不可预知的。有的文献也成异步性为不确定性、随机性。
操作系统的主要功能
处理机管理
内存管理
设备管理