第一章、操作系统引论
一、操作系统基础 1、操作系统的定义： 操作系统（Operating System, OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。 2、操作系统的目标： 方便、有效（提高系统资源的利用率，提高系统的吞吐量）、可扩充（模块化，层次化，微内核）、 开放
3、操作系统的作用： 做用户和计算机硬件系统之间的接口（命令，系统调用，图标-窗口）， 管理资源（处理机，存储器，I/O设备，文件）， 资源的抽象 4、操作系统发展动力：提高利用率、更加方便、应用需求/体系结构/ 硬件不断发展二 计算机发展史
1、无操作系统： 人工操作（用户独占全机、CPU等待人工操作、内存长期空闲）， 脱机输入/输出（Off-Line I/O）（装好纸带再上机，节约CPU空间时间，提高I/O速度） 2、单道批处理系统： 有个监督程序将磁带上的作业调入计算机，缺点是I/O太慢了，CPU空闲 3、多批道处理系统： 描述： 作业放入外存，形成队列，间隔执行。 优点：资源利用率高，系统吞吐量大 缺点：平均周期长、无交互能力 存在问题：处理机，内存，I/O，文件，作业，接口 4、分时系统 描述：提供多个终端，多个用户使用，命令-反馈-命令第一章 优点：人机交互，多用户共享主机， 实际实现： 终端有缓冲区暂存用户命令，作业直接进入内存，时间片轮转方式（每个作业执行一个时间片，换下一个） 特征：多路性，独立性，及时性，交互性， 5、实时系统 描述： 及时响应，规定时间内完成，控制所以实时任务协调一致的运行 类型：工业（武器）控制系统、信息查询系统、多媒体系统、嵌入式系统 实时任务的类型：周期性实时（指定周期）和非周期实时（开始截至和完成截止），硬实时（工业和武器，必须按时）和软实时（偶尔错，信息查询和多媒体） 和分时系统比较：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
6、微机时代 a、单用户单任务：一个用户，执行一个任务8位机。CP/M，16位机MS-DOS b、单用户多任务：一个用户，并发执行多个任务。Windows c、多用户多任务：多个用户共享主机，并发执行多个任务。Unix、Solaris、Linux三、操作系统的基本特征
1、并发
a、并发和并行宏观上一样 并发：两个或多个事件在 同一时间间隔内发生。单处理机系统，微观上交替运行 并行：两个或多个事件在 同一时刻发生。 多处理机系统，微观上同时运行 b、进入进程 进程： 在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，由机器指令、数据和堆栈组成，是独立运行的活动实体。 多个进程之间可以并发执行和交换信息2、共享
概念： 系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。 a .互斥共享方式 描述：提出申请，资源空闲使用，不然等待 例子：打印机、磁带机等临界资源（同一时间只允许一个进程访问） b .同时访问方式 描述： 允许多个进程“同时”访问，微观还是交替进行 例子：磁盘设备共享以进程的并发为条件，系统不能对共享有效管理，影响进程的并发
3、虚拟概念：通过某种技术让一个物理实体变成若干逻辑上的对应物的功能。（虚拟处理机，虚拟内存，虚拟外部设备，虚拟信道）（多重影分身之术）
a.时分复用技术描述：利用某设备为一用户服务的空闲时间，为其他用户服务，使设备得到最充分的利用
虚拟处理机技术：利用多道程序设计，每个程序至少一个进程，让多道程序并发虚拟设备技术：将I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备
平均速度<=1/N b.空分复用技术描述： 利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此提高内存的利用率 虚拟存储技术：通过分时复用内存，100M的程序运行在30M内存中，各部分分时进入内存运行
空间占用<=1/N 4、异步
描述：就是为了让进程更好的并发，系统会分配进程的执行顺序（走走停停）
四、操作系统的主要功能
处理机管理，存储器管理，I/O设备管理，文件管理，提供接口1、处理机管理
a.进程控制：为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行中的状态转换
b .进程同步：为多个进程（含线程）的运行进行协调（进程互斥方式，进程同步方式）c.进程通信：实现相互合作进程之间的信息交换
d.调度：作业调度（从后备队列选出作业，创建进程，插入就绪队列）和进程调度（从进程的就绪队列选出进程分配处理机，投入执行）
2、存储器管理内存分配和回收、内存保护、地址映射、内存扩充
a. 内存分配：任务：分配空间，减少碎片内存，追加内存空间
实现：静态分配，装入内存时确定，不允许追加，不允许移动；动态分配，装入内存时确定，可以追加和移动b.内存保护
任务：在自己空间运行，互不干扰；不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中执行内存保护机制：设置两个界限寄存器（上界和下界），对每条指令要访问的地址进行检查，如果越界就停止该程序
c. 地址映射任务：将地址空间中的 逻辑地址转为内存空间的 物理地址。在硬件的支持下完成 d .内存扩充
任务：用虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存容量
内存扩充机制：
请求调入（装入 部分用户程序和数据就能启动程序，后续再将其他部分调入内存）， 置换（若内存不够，将暂时不用的程序和数据 调至硬盘）3、设备管理
任务1：完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作任务2：提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备
缓冲管理，设备分配，设备处理，虚拟设备
a.缓冲管理作用：有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高了CPU的利用率，进而提高系统吞吐量
手段： 在内存中设置缓冲区，增加缓冲区容量缓冲区机制：单缓冲，双缓冲（能实现双向同时传送数据），公用缓冲池（能供多个设备同时使用）
b.设备分配任务：根据用户进程的I/O请求。系统现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配所需的设备
手段：系统中设置 设备控制表、 控制器控制表等数据结构，用以记录设备及控制器等标识符和状态。根据这些表就能知道指定设备是否可用，是否忙碌。 针对不同的设备类型采用不同的设备分配方式。对 独占设备的分配还应考虑分配出去后系统 是否安全。c.设备处理
任务： 用于实现CPU和设备控制器之间的通信（CPU向设备控制器发出I/O命令，要求他完成指定的I/O操作；CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和处理）处理过程：检查I/O请求的合法性、设备状态是否空闲，读取有关参数、设置设备的工作方式，然后向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备完成指定的I/O操作。
4、文件管理任务：对用户文件和系统文件进行管理以便用户使用，并保证文件的安全性
文件存储空间的管理，目录管理，文件的读写管理，文件的共享和保护
a.文件存储空间的管理背景：多用户环境，用户自己管理文件存储，困难且低效
任务1：为每个文件 分配额外的外存空间， 提高外存利用率，进而提高存取速度任务2：设置相应的数据结构，记录文件存储空间使用情况，以供分配时参考
任务3：分配和回收存储空间
b.目录管理为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又可构成一个目录文件
任务1：为每个文件建立一个目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的 按名存取（即用户只需提供文件名，就能对该文件进行存取）任务2：实现文件共享，只需在外存保留一份该共享文件的副本
任务3：提供快速的 目录查询手段，以提高对文件的检索速度c.文件读写管理
任务：根据用户的请求，从 外存读取数据或将 数据写入外存过程：根据文件名检索文件目录获得外存地址，利用读写指针对文件进行读写，然后修改读写指针，等待下一次读写。读写不会同时进行，所以共用一个指针
d.文件保护1.防止未经核准的用户存取文件
2.防止 冒名顶替存取文件 3.防止 以不正确的方式使用文件
5、操作系统与用户间的接口 a.用户接口
描述：方便用户直接或间接地控制自己的作业
1、联机用户接口：由 一组键盘操作命令及命令解释程序组成。 用户通过先后键入不同的命令来实现对作业的控制。 2、脱机用户接口：为 批处理作业的用户提供，由 作业控制语言JCL组成。用户把 对作业进行控制和干预的命令写在作业说明书中，和 作业一起提供给系统。 调用命令解释程序按照说明书执行，遇到作业结束语句停止。3、图形用户接口：把各项功能、应用等封装成图标，选种图标即可执行相应操作。
b.程序接口：描述：为用户程序在执行中访问系统资源而设置，是用户取得操作系统服务的唯一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求OS提供某种功能时，便调用具有相应功能的系统调用
第二章 进程的描述和控制一、进程的基本概念 程序有顺序执行和并发执行 顺序执行：单道批处理系统，用户独占资源并发执行：多道程序系统，多道程序并发执行，共享资源，引入进程的概念
1、程序的顺序执行及其特征
仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。S1: a∶=x+y; S2: b∶=a-5; S3: c∶=b+1;