操作系统理论

1.1  目标作用

1.2  发展历史

1.3  基本特征

1.3.1并发性

1.并行与并发：

2.引入进程：提高系统资源利用率和系统吞吐量。进程是分配资源的基本单元。

3.引入线程：线程是独立调度的基本单元。

1.3.2共享性

1.互斥共享方式：某一资源被一个进程访问的时候其它的进程不能访问。

2.同时访问方式：一些资源允许同时被多个进程访问。

总结：并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，又是互为存在的条件。

a.资源共享是以进程的并发执行为条件的

b.协调好进程对资源的访问，会影响到进程并发执行的程度

1.3.3虚拟技术：通过某种技术把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。

1.时分复用

1).虚拟处理器技术：把一台物理处理器虚拟为多个逻辑处理器，在每台逻辑处理器上运行一道程序。把用户所感觉到的处理器成为虚拟处理器。

2).虚拟设备技术：原来仅允许一段时间内只能由一个用户访问的设备（临界资源）变为一段时间内由多个用户同时访问的设备。

2.空分复用

1).虚拟磁盘技术：磁盘分卷，各自独立操作。

2).虚拟存储器技术：利用存储器的空闲空间存储其它的应用程序，提高内存的利用率。单纯的空分复用存储器只能提高内存的利用率，不能实现逻辑上扩大存储器容量的功能。必须引入虚拟存储的技术才能达到这个目的。

总结：时分复用提高CPU的利用率，空分复用提高内存的利用率。

1.3.4异步性

由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是“走走停停”地运行。

只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制，而且运行环境相同，作业经过多次运行都会获得完全相同的结果，所以异步运行是允许的，而且这也是操作系统的一个重要特征。

1.4  操作系统的主要功能

主要有：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、面向网络的服务。

1.4.1处理器管理功能

1.进程控制：为作业创建进程，撤销已经结束的进程。控制进程在运行过程中的状态转换。现代操作系统中还要一个进程创建若干个线程的资源和撤销在这些资源。

2.进程同步：为了是不可预知速度运行的进程有条不紊地运行，进程要设置同步机制。同步机制的主要任务是为多个进程（线程）的运行进行协调。

（1）进程互斥方式：诸进程（线程）对资源进行访问的时候才用互斥的方式。

（2）进程同步方式：由同步机制对各个进程（线程）的执行顺序加以协调。

3.进程通信：由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上，再由目标进程利用接受消息的命令取走消息。

4.调度：包括作业调度和进程调度。

1.4.2存储器管理

1.内存分配：为每道程序分配内存空间。使其各得其所，提高存储器的利用率。

2.内存保护：防止程序在运行的过程中越界访问内存（访问操作系统、其它应用程序等的内存空间等情况被称为越界访问）。

3.地址映射：将地址空间中的逻辑地址转换为物理地址。

4.内存扩充：借助虚拟存储技术，在逻辑上扩充内存容量。（请求调入功能、置换功能）

1.4.3设备管理功能

1.缓冲管理：提高系统的吞吐量

2.设备分配：系统中有设备控制表、控制器控制表等数据结构。

3.设备管理：驱动程序。控制CPU和设备控制器之间的通信。

1.4.4文件管理功能

（1）.文件存储空间的管理

系统设置相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时使用。系统还应该具有对存储空间的分配和回收能力。为了提高的利用率，一般都采用离散分配的方式。

2.目录管理

为了使用户能够方便地找到需要的文件，操作系统通常为每个文件建立一个目录项（包括：文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理存储位置）。若干个目录项又构成一个目录文件。

3.文件的读写管理和保护

（1）文件的读写管理：先找到文件位置，再用文件指针进行操作。

（2）文件保护：防止未经核准的用户存取文件、防止冒名顶替存取文件、防止不正确的方式使用文件。

1.4.5操作系统与用户之间的接口

这些接口通常分为两类：

1.用户接口：用户取得操作系统的服务。主要有：联机用户接口、脱机用户接口、图形用户接口。

2.程序接口：程序员编程时使用的接口

1.5  OS的结构与设计

1.5.1传统的OS结构

（1）. 无结构操作系统

（2）. 模块化结构操作系统

（3）.分层式结构OS

1.5.2客户/服务器模式：确保每一步的建立都在可靠的基础之上。

1.5.3面向对象的程序设计：（略）

1.5.4微内核OS结构

1.微内核的基本概念

   （1）足够小的内核

   （2）基于客户/服务器模式

   （3）应用“机制与策略分离”

   （4）采用面向对象技术

   2.微内核的基本功能

   （1）进程/线程的管理

   （2）低级存储器管理

   （3）中断和陷入处理

优点：可靠性、可移植性、可扩展性等变得容易

缺点：效率降低