操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第1章操作系統(tǒng)1.11.1操作系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件和軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程和有效利用資源，在計(jì)算機(jī)與用戶之間起接口的作用。1.1.1操作系統(tǒng)的類型根據(jù)使用環(huán)境和對(duì)作業(yè)的處理方式，操作系統(tǒng)可分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)。（1）批處理操作系統(tǒng)把用戶提交的作業(yè)分類，把一批中的作業(yè)編成一個(gè)作業(yè)執(zhí)行序列。批處理又可分為聯(lián)機(jī)批

2、處理和脫機(jī)批處理。批處理系統(tǒng)的主要特征有用戶脫機(jī)使用計(jì)算機(jī)、成批處理和多道程序運(yùn)行。（2）分時(shí)操作系統(tǒng)采用分時(shí)技術(shù)，使多個(gè)用戶同時(shí)以會(huì)話方式控制自己程序的運(yùn)行，每個(gè)用戶都感到似乎各自有一臺(tái)獨(dú)立的、支持自己請(qǐng)求服務(wù)的系統(tǒng)。分時(shí)技術(shù)把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。若某個(gè)作業(yè)在分配給它的時(shí)間片內(nèi)不能完成其計(jì)算，則該作業(yè)暫時(shí)中斷，把處理機(jī)讓給另一作業(yè)使用，等待下一輪時(shí)再繼續(xù)運(yùn)行。分時(shí)系統(tǒng)的主要特征有

3、交互性、多用戶同時(shí)性和獨(dú)立性。（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)往往是專用的，系統(tǒng)與應(yīng)用很難分離，常常緊密結(jié)合在一起。實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不強(qiáng)調(diào)資源利用率，而更關(guān)心及時(shí)性（時(shí)間緊迫性）、可靠性和完整性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分為實(shí)時(shí)過程控制與實(shí)時(shí)信息處理兩種。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特征有提供即時(shí)響應(yīng)、高可靠性。（4）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)等。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)可以互不相同，它需要有一個(gè)環(huán)

4、境支持互連的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的異種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的進(jìn)程通信，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作和應(yīng)用集成。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的主要特征有互操作性、協(xié)作處理。（5）分布式操作系統(tǒng)要求一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性，負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度，為用戶提供統(tǒng)一的界面。它是一個(gè)邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)，目前還沒有真正實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。希賽教育專家提示：不管哪種操作系統(tǒng)，都應(yīng)該具有5個(gè)基本功能，即處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理和作業(yè)管理。1.1.2操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

5、操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為無序結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)、對(duì)稱多處理結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。（1）無序結(jié)構(gòu)，又稱整體結(jié)構(gòu)或模塊組合結(jié)構(gòu)。它以大型表格和隊(duì)列為中心，操作系統(tǒng)的各部分程序圍繞著表格運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)程序。這種操作系統(tǒng)常稱為面向過程的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)由許多標(biāo)準(zhǔn)的、可兼容的基本單位構(gòu)成（稱為模塊），各模塊相對(duì)獨(dú)立，模塊之間通過規(guī)定的接口相互調(diào)用。模塊化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，缺點(diǎn)是模塊之間調(diào)用關(guān)系復(fù)雜、相互依賴，從而使

6、分析、移植和維護(hù)系統(tǒng)較易出錯(cuò)。（2）層次結(jié)構(gòu)。把一個(gè)大型復(fù)雜的操作系統(tǒng)分解成若干個(gè)單向依賴的層次，由多層的正確性保證操作系統(tǒng)的可靠性。層次結(jié)構(gòu)清晰，大大地簡化了接口的設(shè)計(jì)，且有利于系統(tǒng)功能的增加或刪改，易于保證可靠性，也便于維護(hù)和移植。（3）面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)?；诿嫦?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的概念，采用了各種不同的對(duì)象技術(shù)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)象是操作系統(tǒng)管理的信息和資源的抽象，是一種抽象的數(shù)據(jù)類型?？梢园褜?duì)象作為系統(tǒng)中的最小單位，由對(duì)象、對(duì)象操作、對(duì)象保

7、護(hù)組成的操作系統(tǒng)，就是面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng)。例如WindowsServer中有執(zhí)行體對(duì)象（如進(jìn)程、線程、文件和令牌等）和內(nèi)核對(duì)象（如時(shí)鐘、事件和信號(hào)等）。面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是適用于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)中。（4）對(duì)稱多處理結(jié)構(gòu)。如果一個(gè)操作系統(tǒng)在系統(tǒng)中的所有處理機(jī)運(yùn)行且共享同一內(nèi)存（內(nèi)存儲(chǔ)器、主存、實(shí)存），這樣的系統(tǒng)就是一個(gè)對(duì)稱多處理系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是適合共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的多處理機(jī)系統(tǒng)，即緊耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)。（5）微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。把系統(tǒng)的公共

8、部分抽象出來，形成一個(gè)底層核心，提供最基本的服務(wù)，其他功能以服務(wù)器形式建立在微內(nèi)核之上。它具有良好的模塊化和結(jié)構(gòu)化特征，模塊之間和上下層之間通過消息來通信。建立在微內(nèi)核上的服務(wù)器可以根據(jù)不同的需要構(gòu)造，從而形成不同的操作系統(tǒng)?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)大多擁有兩種工作狀態(tài)：核心態(tài)和用戶態(tài)。我們使用的一般應(yīng)用程序工作在用戶態(tài)，而內(nèi)核模塊和最基本的操作系統(tǒng)核心工作在核心態(tài)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)由一個(gè)非常簡單的硬件抽象層和一組比較關(guān)鍵的原語或系統(tǒng)調(diào)用組成，這些原語僅

9、僅包括了建立一個(gè)系統(tǒng)必需的幾個(gè)部分，如線程管理、地址空間和進(jìn)程間通信等。微內(nèi)核的目標(biāo)是將系統(tǒng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)的基本操作規(guī)則分離開來。例如，進(jìn)程的輸入輸出鎖定服務(wù)可以由運(yùn)行在微內(nèi)核之外的一個(gè)服務(wù)組件來提供。這些非常模塊化的用戶態(tài)服務(wù)用于完成操作系統(tǒng)中比較高級(jí)的操作，這樣的設(shè)計(jì)使內(nèi)核中最核心部分的設(shè)計(jì)更簡單。一個(gè)服務(wù)組件的失效并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，內(nèi)核需要做的，僅僅是重新啟動(dòng)這個(gè)組件，而不必影響其他的部分。微內(nèi)核技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下。（1

10、）統(tǒng)一的接口，在用戶態(tài)和核心態(tài)之間無須進(jìn)程識(shí)別。（2）可伸縮性好，能適應(yīng)硬件更新和應(yīng)用變化。（3）可移植性好，所有與具體機(jī)器特征相關(guān)的代碼全部隔離在微內(nèi)核中。如果操作系統(tǒng)要移植到不同的硬件平臺(tái)上，只需修改微內(nèi)核中極少代碼即可。（4）實(shí)時(shí)性好，微內(nèi)核可以方便地支持實(shí)時(shí)處理。（5）安全可靠性高，微內(nèi)核將安全性作為系統(tǒng)內(nèi)部特性來進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)外僅使用少量應(yīng)用編程接口。（6）支持分布式系統(tǒng)，支持多處理器的架構(gòu)和高度并行的應(yīng)用程序。（7）真正面向?qū)?/p>

11、象的操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)核心常駐內(nèi)存，而微內(nèi)核結(jié)構(gòu)精簡了操作系統(tǒng)的核心功能，內(nèi)核規(guī)模比較小，一些功能都移到了外止阻塞態(tài)。為了區(qū)別，而把三態(tài)模型中的等待態(tài)改名為活躍阻塞態(tài)，就緒態(tài)改名為活躍就緒態(tài)。靜止就緒態(tài)表明進(jìn)程具備運(yùn)行條件但目前在二級(jí)存儲(chǔ)器（外存儲(chǔ)器、外存、輔存）中，只有當(dāng)它被對(duì)換到內(nèi)存才能被調(diào)度執(zhí)行。靜止阻塞態(tài)則表明進(jìn)程正在等待某一個(gè)事件且在二級(jí)存儲(chǔ)器中。圖12具有掛起功能系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因如下。（1

12、）活躍阻塞態(tài)→靜止阻塞態(tài)：如果當(dāng)前不存在活躍就緒進(jìn)程，那么至少有一個(gè)等待態(tài)進(jìn)程將被對(duì)換出去成為靜止阻塞態(tài)；操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前資源狀況和性能要求，可以決定把活躍阻塞態(tài)進(jìn)程對(duì)換出去成為靜止阻塞態(tài)。（2）靜止阻塞態(tài)→靜止就緒態(tài)：引起進(jìn)程等待的事件發(fā)生之后，相應(yīng)的靜止阻塞態(tài)進(jìn)程將轉(zhuǎn)換為靜止就緒態(tài)。（3）靜止就緒態(tài)→活躍就緒態(tài)：當(dāng)內(nèi)存中沒有活躍就緒態(tài)進(jìn)程，或者靜止就緒態(tài)進(jìn)程具有比活躍就緒態(tài)進(jìn)程更高的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)將把靜止就緒態(tài)進(jìn)程轉(zhuǎn)換成活躍就緒態(tài)。（

13、4）活躍就緒態(tài)→靜止就緒態(tài)：操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前資源狀況和性能要求，也可以決定把活躍就緒態(tài)進(jìn)程對(duì)換出去成為靜止就緒態(tài)。（5）靜止阻塞態(tài)→活躍阻塞態(tài)：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程等待一個(gè)事件時(shí)，原則上不需要把它調(diào)入內(nèi)存。但是，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程退出后，內(nèi)存已經(jīng)有了一大塊自由空間，而某個(gè)靜止阻塞態(tài)進(jìn)程具有較高的優(yōu)先級(jí)并且操作系統(tǒng)已經(jīng)得知導(dǎo)致它阻塞的事件即將結(jié)束，此時(shí)便發(fā)生了這一狀態(tài)變化。不難看出，一個(gè)掛起進(jìn)程等同于不在內(nèi)存的進(jìn)程，因此掛起的進(jìn)程將不參與進(jìn)程調(diào)度直到它們被

14、對(duì)換進(jìn)內(nèi)存。一個(gè)掛起進(jìn)程具有如下特征：（1）該進(jìn)程不能立即被執(zhí)行。（2）掛起進(jìn)程可能會(huì)等待一個(gè)事件，但所等待的事件是獨(dú)立于掛起條件的，事件結(jié)束并不能導(dǎo)致進(jìn)程具備執(zhí)行條件。（3）進(jìn)程進(jìn)入掛起狀態(tài)是由于操作系統(tǒng)、父進(jìn)程或進(jìn)程本身阻止它的運(yùn)行。（4）結(jié)束進(jìn)程掛起狀態(tài)的命令只能通過操作系統(tǒng)或父進(jìn)程發(fā)出。（5）阻塞態(tài)。進(jìn)入阻塞態(tài)通常是因?yàn)樵诘却齀O完成或等待分配到所需資源。1.2.2信號(hào)量與PV操作對(duì)于本知識(shí)點(diǎn)的考查，重點(diǎn)在于理解信號(hào)量與PV操作

15、的基本概念，能夠正確地理解在互斥、同步方面的控制應(yīng)用，并能夠靈活地運(yùn)用，相對(duì)來說是個(gè)難點(diǎn)。在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程之間經(jīng)常會(huì)存在互斥（都需要共享獨(dú)占性資源時(shí)）和同步（完成異步的兩個(gè)進(jìn)程的協(xié)作）兩種關(guān)系。為了有效地處理這兩種情況，W.Dijkstra在1965年提出信號(hào)量和PV操作。（1）信號(hào)量：是一種特殊的變量，表現(xiàn)形式是一個(gè)整型S和一個(gè)隊(duì)列。（2）P操作：S=S–1，若S0，進(jìn)程暫停執(zhí)行，進(jìn)入等待隊(duì)列。（3）V操作：S=S1，若S?0，喚醒