1、1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第第1章章 操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)概述2目目 錄錄l1.1 什么是操作系統(tǒng)l1.2 操作系統(tǒng)發(fā)展歷史l1.3 操作系統(tǒng)主要功能l1.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l1.5 操作系統(tǒng)的特征l1.6 兩大操作系統(tǒng)介紹31.1 什么是操作系統(tǒng) l操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本、最重要的系統(tǒng)軟件，是其它軟件的支撐。控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，合理的組織計(jì)算機(jī)工作流程，并為用戶使用計(jì)算機(jī)提供公共和基本的服務(wù)。 l兩個(gè)主要目標(biāo)： l1.高效性 操作系統(tǒng)允許以更加高效的方式使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源l2.方便性 操作系統(tǒng)使得用戶使用計(jì)算機(jī)更加方便 41.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 l目前

2、，計(jì)算機(jī)采用的都是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器運(yùn)算器、控制器控制器、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器、輸入輸入和輸出輸出五大部件組成。l運(yùn)算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）：進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，并能暫存運(yùn)算結(jié)果的部件。l控制器（CU，Control Unit）：控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行及處理運(yùn)算結(jié)果的部件。l存儲(chǔ)器（Memory）：用于存放數(shù)據(jù)和程序。l輸入/輸出設(shè)備（I/O）：用于實(shí)現(xiàn)將人們熟悉的信息形式與機(jī)器能識(shí)別的信息形式之間的相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)總線（System Bus）：連接計(jì)算機(jī)各模塊并為其通信提供服務(wù)。51.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 61.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 l

3、運(yùn)算器和控制器被合在一起統(tǒng)稱為中央處理單元（CPU，Central Process Unit）。 l存儲(chǔ)器則由一系列存儲(chǔ)單元組成，這些單元由順序編號(hào)的地址定義。 lCPU執(zhí)行的程序是由一組保存在存儲(chǔ)器中的指令組成。l指令的處理步驟：取指令取指令和執(zhí)行指令執(zhí)行指令。 71.1.2 操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng) l早期的計(jì)算機(jī)上配置的操作系統(tǒng)是單用戶操作系統(tǒng)，這樣的操作系統(tǒng)只允許一個(gè)用戶使用計(jì)操作系統(tǒng)只允許一個(gè)用戶使用計(jì)算機(jī)，用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源算機(jī)，用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源，整個(gè)系統(tǒng)為用戶的程序運(yùn)行提供服務(wù)。 l為了解決這一問(wèn)題，提高系統(tǒng)資源利用率，人們研究并實(shí)現(xiàn)了一系列新的軟件技術(shù)，如多道

4、程序設(shè)計(jì)技術(shù)、分時(shí)技術(shù)、多任務(wù)控制和協(xié)調(diào)、資源分配策略和處理機(jī)調(diào)度策略等。 81.1.2 操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng) l由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算模型仍然是順序計(jì)算模型計(jì)算模型仍然是順序計(jì)算模型，其特點(diǎn)是集中順序過(guò)程控制，而操作系統(tǒng)的并行計(jì)算模型需要支持多用戶、多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，這就產(chǎn)生了一一對(duì)矛盾對(duì)矛盾，即硬件結(jié)構(gòu)的順序計(jì)算模型和操作系統(tǒng)的并行計(jì)算模型之間的矛盾。 l為了解決這一矛盾，人們開(kāi)始研究與并行計(jì)算模型相一致的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了多處理機(jī)系統(tǒng)、消息傳遞型多計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等具有并行能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中最為常見(jiàn)的是多處理機(jī)系統(tǒng)中的多多核計(jì)算模型核計(jì)算模型。 91.1.2 操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系

5、統(tǒng) l多核（multicore）是指將兩個(gè)或多個(gè)處理器組裝在同一塊芯片上，故又名單芯片多處理器（chip multiprocessor）。 l一個(gè)典型的多核系統(tǒng)的例子是Intel的酷睿i7處理器。l四個(gè)x86處理器l每個(gè)處理器都有其專用的L2高速緩存l所有處理器共享一個(gè)L3高速緩存 101.1.2 操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 111.2 操作系統(tǒng)發(fā)展歷史 l操作系統(tǒng)是由客觀的需要而產(chǎn)生的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的變化和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛而不斷的發(fā)展和完善。了解這些年來(lái)操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史，有助于理解操作系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)需求，也有助于理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征。 121.2.1 無(wú)操作系

6、統(tǒng) l早期的計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)40年代后期到50年代中期，處于電子管時(shí)代，沒(méi)有配備任何操作系統(tǒng)，程序員是直接與計(jì)算機(jī)硬件打交道。 l程序員將事先已穿孔的紙帶（卡片）裝入紙帶輸入機(jī)（卡片輸入機(jī)），再啟動(dòng)輸入機(jī)將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。 l容易出現(xiàn)CPU、內(nèi)存等資源等待人工操作的現(xiàn)象，造成資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重降低了計(jì)算機(jī)資源的利用率，這就是所謂的“人機(jī)矛盾”。 l為了緩和這些矛盾，提高系統(tǒng)資源的利用率，20世紀(jì)50年代末期出現(xiàn)了脫機(jī)輸入/輸出（Off-Line I/O）技術(shù)。 131.2.1 無(wú)操作系統(tǒng) 圖 1.3 具有脫機(jī)I/O技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖141.2.2 單道批處理系統(tǒng)

7、l20世紀(jì)50年代中期，人們開(kāi)始用晶體管代替真空管來(lái)制造計(jì)算機(jī)。這使得計(jì)算機(jī)的體積大大減小，功耗顯著降低，同時(shí)可靠性和運(yùn)算速度也得到了提升，但造價(jià)仍十分昂貴。l為了能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，通常是把一批作業(yè)以脫機(jī)的方式輸入到磁盤(pán)（磁帶）上，并為其配上監(jiān)控程序（監(jiān)控程序（Monitor），在它的控），在它的控制下使得這批作業(yè)能夠一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)處理制下使得這批作業(yè)能夠一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)處理。 151.2.2 單道批處理系統(tǒng) l第一個(gè)批處理操作系統(tǒng)，同時(shí)也是第一個(gè)操作系統(tǒng)，是由GM（General Motors，通用）為IBM 701開(kāi)發(fā)的。l用戶不再直接和機(jī)器硬件打交道，而是把作業(yè)提交給計(jì)算機(jī)操作

8、員，由操作員按順序把作業(yè)組織成一批，并將整批作業(yè)放在輸入設(shè)備上，供監(jiān)控程序使用。 l單道批處理系統(tǒng)具有自動(dòng)性自動(dòng)性、順序性順序性和單道性單道性的特點(diǎn)，對(duì)磁盤(pán)（磁帶）上的作業(yè)能自動(dòng)地逐個(gè)地依次執(zhí)行，提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量 。161.2.2 單道批處理系統(tǒng) 圖 1.4 單道批處理系統(tǒng)處理流程171.2.3 多道批處理系統(tǒng) 圖 1.5 單道程序工作示意圖181.2.3 多道批處理系統(tǒng) l多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)(IBM, Frances Allen) 主要思想在內(nèi)存中同時(shí)存放若干道用戶作業(yè)，并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源，當(dāng)一道程序因I/O請(qǐng)求而暫停執(zhí)行時(shí)，CPU便轉(zhuǎn)而執(zhí)行另外一

9、道程序，由此形成了多道批處理系統(tǒng)(Multiprogrammed Batch Processing System)。191.2.3 多道批處理系統(tǒng) 假設(shè)有A，B兩個(gè)程序圖 1.6 多道程序工作示意圖201.2.3 多道批處理系統(tǒng) l多道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：l多道性：計(jì)算機(jī)的主存中同時(shí)存放有多道相互獨(dú)立的程序。l宏觀上的并行性：在同一時(shí)間段內(nèi)，同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的多道程序都處于運(yùn)行狀態(tài)。 一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的并行一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的并行l(wèi)微觀上的串行性：在某一時(shí)刻，CPU上只有一道程序在執(zhí)行，多道程序輪流或分時(shí)占有CPU。211.2.3 多道批處理系統(tǒng) l多道批處理系統(tǒng)需解決的問(wèn)題：l處理機(jī)的管理和分配問(wèn)題l內(nèi)

10、存的分配和保護(hù)問(wèn)題lI/O設(shè)備的管理和分配問(wèn)題l文件的組織和管理問(wèn)題221.2.4 分時(shí)系統(tǒng) l多個(gè)用戶分享了CPU的時(shí)間，因而稱為分時(shí)系統(tǒng)（Time Sharing System）l在分時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可以通過(guò)終端同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)控制每個(gè)用戶程序以很短的時(shí)間（稱之為“時(shí)間片”）為單位交替運(yùn)行。 l最早的分時(shí)操作系統(tǒng)是由麻省理工學(xué)院（MIT）在1961年為IBM 709開(kāi)發(fā)的兼容分時(shí)系統(tǒng)（Compatible Time-Sharing System， CTSS），后被移植到IBM 7094中。 231.2.4 分時(shí)系統(tǒng) l分時(shí)系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有明顯不同的特點(diǎn)：l交互性：用

11、戶可以通過(guò)終端與系統(tǒng)直接進(jìn)行對(duì)話。l及時(shí)性：用戶的請(qǐng)求能在人們所能接受的等待時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)。l獨(dú)立性：每個(gè)用戶獨(dú)占一個(gè)終端，彼此獨(dú)立，互不干擾，因此用戶感覺(jué)像是他一個(gè)人獨(dú)占主機(jī)。l多路性：允許在一臺(tái)主機(jī)上同時(shí)聯(lián)接多臺(tái)終端。宏觀上，多宏觀上，多個(gè)用戶同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源；微觀上，每個(gè)用戶程序輪個(gè)用戶同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源；微觀上，每個(gè)用戶程序輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。l批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著操作系統(tǒng)的形成。 241.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng) l所謂實(shí)時(shí)，是指“立刻”、“馬上” 。l實(shí)時(shí)系統(tǒng)(real time system)則要求系統(tǒng)對(duì)特定輸入做出反應(yīng)的速度足以控制發(fā)出實(shí)

12、時(shí)信號(hào)的對(duì)象，或者說(shuō)系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)和設(shè)備協(xié)調(diào)一致的工作。l按照實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將其分為兩大類： l實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) ：實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并據(jù)其進(jìn)行控制、計(jì)算；l實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng) ：實(shí)時(shí)信息查詢、實(shí)時(shí)事務(wù)處理 251.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng) l實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：l及時(shí)性l交互性l獨(dú)立性l多路性l高可靠性261.2.6 操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展 l 20世紀(jì)80年代以來(lái)，操作系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)了具有圖形用戶界面、功能強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)；具有網(wǎng)

13、絡(luò)資源共享、遠(yuǎn)程通訊能力的網(wǎng)絡(luò)操作系網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)統(tǒng)；能使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)共同完成某一工作的多處理機(jī)多處理機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)；具有單一系統(tǒng)鏡像、分布處理能力的分布式分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)以及分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等。 l隨著計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)的迅速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，出現(xiàn)了一種構(gòu)架于服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)硬件資源和單機(jī)操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)等基礎(chǔ)軟件之上，用以管理海量的基礎(chǔ)硬件、軟件資源的云平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)，稱之為云操作系統(tǒng)云操作系統(tǒng)。 271.3 操作系統(tǒng)主要功能 l 操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是為多道程序提供良好的運(yùn)行環(huán)境，并能最大程度的提高系統(tǒng)中各種資源的利用率和方便用戶使用。為

14、實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，操作系統(tǒng)應(yīng)具備：l處理器管理l存儲(chǔ)管理l設(shè)備管理l文件管理l用戶接口 281.3.1 處理機(jī)管理 l進(jìn)程控制l基本功能是創(chuàng)建和撤銷(xiāo)進(jìn)程創(chuàng)建和撤銷(xiāo)進(jìn)程、控制進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換控制進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換l進(jìn)程同步l進(jìn)程同步是指系統(tǒng)對(duì)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)，使它們能有條不紊的運(yùn)行l(wèi)進(jìn)程通信l進(jìn)程通信是指相關(guān)進(jìn)程之間的信息交換信息交換l進(jìn)程調(diào)度l指按照一定的調(diào)度算法在等待執(zhí)行的進(jìn)程中選出其中一個(gè)，選出其中一個(gè)，并為其分配并為其分配CPU、設(shè)置運(yùn)行環(huán)境，使其投入運(yùn)行、設(shè)置運(yùn)行環(huán)境，使其投入運(yùn)行291.3.2 存儲(chǔ)管理 l內(nèi)存分配l為每道程序分配必要的內(nèi)存空間為每道程序分配

15、必要的內(nèi)存空間，提高存儲(chǔ)器的利用率，減少空間浪費(fèi)，在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí)，可采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式l內(nèi)存保護(hù)l內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)是確保每道程序都只在自己的內(nèi)存空間里運(yùn)確保每道程序都只在自己的內(nèi)存空間里運(yùn)行，防止因一道程序的錯(cuò)誤而干擾其它程序行，防止因一道程序的錯(cuò)誤而干擾其它程序，也絕不允許用戶程序隨意訪問(wèn)操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)l地址映射l把目標(biāo)程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成為內(nèi)存空間中的物理地址邏輯地址轉(zhuǎn)換成為內(nèi)存空間中的物理地址l內(nèi)存擴(kuò)充l內(nèi)存擴(kuò)充是借助虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，在不增加物理內(nèi)存空間的前提下，在不增加物理內(nèi)存空間的前提下，從邏輯上對(duì)內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)充從邏輯上對(duì)內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)充，使系統(tǒng)能夠運(yùn)行內(nèi)存需求量

16、比實(shí)際內(nèi)存更大的作業(yè)，或是讓更多的作業(yè)能夠并發(fā)執(zhí)行301.3.3 設(shè)備管理 l緩沖管理l緩沖是指在內(nèi)存中劃出來(lái)用作暫時(shí)存放信息的一部分區(qū)域。在在CPU和和I/O設(shè)備之間設(shè)置緩沖區(qū)，則可以有效緩解速度不匹配的矛設(shè)備之間設(shè)置緩沖區(qū)，則可以有效緩解速度不匹配的矛盾盾，提高CPU的利用率，從而提高系統(tǒng)吞吐量。l設(shè)備分配l根據(jù)用戶所請(qǐng)求根據(jù)用戶所請(qǐng)求的設(shè)備類型、數(shù)量，按照一定分配算法對(duì)設(shè)備進(jìn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分配行分配l設(shè)備處理l設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其基本任務(wù)是由由CPU向設(shè)備向設(shè)備控制器發(fā)出控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)指定的命令，啟動(dòng)指定的I/O設(shè)備、完成用戶規(guī)定的設(shè)備、完成用戶規(guī)定的I/O操操作作

17、，并對(duì)設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和處理。l虛擬設(shè)備管理l虛擬設(shè)備也稱邏輯設(shè)備，是指操作系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備虛擬技術(shù)，把每把每次僅供一個(gè)進(jìn)程使用的獨(dú)享設(shè)備改造成能被多個(gè)用戶使用的設(shè)備次僅供一個(gè)進(jìn)程使用的獨(dú)享設(shè)備改造成能被多個(gè)用戶使用的設(shè)備311.3.4 文件管理 l文件存儲(chǔ)空間管理l一些當(dāng)前需要使用的系統(tǒng)文件和用戶文件，都必須放在可隨機(jī)存取的磁盤(pán)上。為此，必須由操作系統(tǒng)統(tǒng)一對(duì)文件的存儲(chǔ)空間進(jìn)行管理，提高存儲(chǔ)空操作系統(tǒng)統(tǒng)一對(duì)文件的存儲(chǔ)空間進(jìn)行管理，提高存儲(chǔ)空間的利用率，同時(shí)也提高文件系統(tǒng)的存取速度間的利用率，同時(shí)也提高文件系統(tǒng)的存取速度。l目錄管理l目錄又稱文件目錄，是用來(lái)描述系統(tǒng)中所有文件基本情況的

18、一個(gè)表。為了使用戶能夠方便的在外存上找到自己所需的文件，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)文件建立系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)一個(gè)目錄項(xiàng)。在不同的系統(tǒng)中，目錄有著不同的組織方式l文件讀寫(xiě)管理l對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作，是文件管理必須具備的最基本的操作文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作，是文件管理必須具備的最基本的操作。該功能可以根據(jù)用戶的請(qǐng)求，從外存指定區(qū)域把指定數(shù)量的信息讀入到內(nèi)存指定的用戶區(qū)或系統(tǒng)區(qū)，或?qū)⒅付〝?shù)量的信息從內(nèi)存寫(xiě)入外存指定區(qū)域。l文件保護(hù)l為了防止系統(tǒng)中的文件被非法竊取和破壞，必須提供有效的存取控制機(jī)制存取控制機(jī)制l文件系統(tǒng)的安全性l是指文件系統(tǒng)避免因軟件或硬件故障而造成信息破壞避免因軟件或硬件故障而造成信息破壞的能力

19、321.3.5 用戶接口 l命令接口l為了便于用戶直接或間接控制自己的作業(yè)，操作系統(tǒng)向用戶提供了命令接口。用戶可以通過(guò)該接口向作業(yè)發(fā)出命令用戶可以通過(guò)該接口向作業(yè)發(fā)出命令，以控制作業(yè)的運(yùn)行。 l程序接口l該接口是為用戶程序在執(zhí)行過(guò)程中訪問(wèn)系統(tǒng)資源而設(shè)定的，是用用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑。程序接口是由一組系統(tǒng)調(diào)程序接口是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每當(dāng)應(yīng)用程序要求操作系統(tǒng)提供某種類型的服務(wù)時(shí)，便用組成，每當(dāng)應(yīng)用程序要求操作系統(tǒng)提供某種類型的服務(wù)時(shí)，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。 l圖形接口l采用圖形化的操作界面，用非常容易識(shí)別的圖標(biāo)將系統(tǒng)

20、的各種命圖標(biāo)將系統(tǒng)的各種命令直觀、逼真的表示出來(lái)，用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)，借助菜單、令直觀、逼真的表示出來(lái)，用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)，借助菜單、對(duì)話框，就可以完成對(duì)應(yīng)用程序和文件的操作對(duì)話框，就可以完成對(duì)應(yīng)用程序和文件的操作，極大的方便了用戶的使用。331.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) l在操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有4種設(shè)計(jì)方法：l單體結(jié)構(gòu)l模塊化結(jié)構(gòu)l可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)l層次結(jié)構(gòu)341.4.1 單體結(jié)構(gòu)l在單體結(jié)構(gòu)中，操作系統(tǒng)是一組過(guò)程的集合過(guò)程的集合，每一過(guò)程都有一個(gè)定義好的接口，包括入口參數(shù)和返回值。過(guò)程間可以相互調(diào)用而不受約束。l它的特點(diǎn)是操作系統(tǒng)運(yùn)行效率操作系統(tǒng)運(yùn)行效率高高，但這種結(jié)構(gòu)難以理解、難以維護(hù)，驗(yàn)

21、證其正確性也十分困難。l早期的操作系統(tǒng)，如AT&T System V和BSD UNIX內(nèi)核就是采用一體化結(jié)構(gòu)的最具代表性的例子。 351.4.2 模塊化結(jié)構(gòu)l采用模塊化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其功功能是通過(guò)邏輯獨(dú)立的模塊來(lái)劃能是通過(guò)邏輯獨(dú)立的模塊來(lái)劃分分的，相關(guān)模塊間具有定義良好的接口，通過(guò)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的調(diào)用。l模塊具有良好的封裝性模塊具有良好的封裝性，數(shù)據(jù)抽象允許模塊隱藏?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。l采用模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的好處是系統(tǒng)能作為抽象數(shù)系統(tǒng)能作為抽象數(shù)據(jù)類型或?qū)ο蠓椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)據(jù)類型或?qū)ο蠓椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)，這樣有利于操作系統(tǒng)的理解和維護(hù)，缺點(diǎn)是存在潛在的性能退化。 361.4.3 可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)

22、構(gòu)l可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)內(nèi)核分為基礎(chǔ)核心基礎(chǔ)核心和其它核其它核心功能心功能兩部分l基礎(chǔ)核心包括公共必須的基基礎(chǔ)核心包括公共必須的基本功能集合本功能集合。這種結(jié)構(gòu)方法也可為特定操作系統(tǒng)定義策略獨(dú)立模塊和特定策略模塊兩類模塊。 l微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)基于客戶/服務(wù)器模型，有微內(nèi)核和核外的服務(wù)器進(jìn)程組成。 371.4.4 層次結(jié)構(gòu)l在層次結(jié)構(gòu)當(dāng)中，操作系統(tǒng)由操作系統(tǒng)由若干層組成若干層組成，最內(nèi)層是裸機(jī)，即機(jī)器的硬件功能部分，其它各層可以看成是一系列的虛擬機(jī)，每一層提供一組完整的功每一層提供一組完整的功能能，并且該組功能僅僅依賴于該層以內(nèi)的各層。l對(duì)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)而言，分層結(jié)構(gòu)的限制過(guò)于嚴(yán)格，所以

23、很少采用這種方法來(lái)構(gòu)造操作系統(tǒng)。 381.4.4 層次結(jié)構(gòu)391.5 操作系統(tǒng)的特征l基本特征l并發(fā)性l共享性l虛擬性l異步性l新特征l微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) l多線程 l對(duì)稱多處理 l分布式操作系統(tǒng)l面向?qū)ο笤O(shè)計(jì) 401.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l基本特征：并發(fā)性l并發(fā)是操作系統(tǒng)的第一個(gè)重要特征第一個(gè)重要特征l所謂并發(fā)是指在一段時(shí)間內(nèi)有多道程序同時(shí)在計(jì)一段時(shí)間內(nèi)有多道程序同時(shí)在計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行算機(jī)內(nèi)運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)稱之為并發(fā)系統(tǒng)（concurrent system）l操作系統(tǒng)是并發(fā)系統(tǒng)的管理機(jī)構(gòu)，其本身也是并本身也是并發(fā)執(zhí)行的發(fā)執(zhí)行的，是與用戶程序以及其它用戶態(tài)程序一與用戶程序以及其它用戶態(tài)程序一起并

24、發(fā)執(zhí)行起并發(fā)執(zhí)行的。程序的并發(fā)執(zhí)行帶來(lái)了許多程序串行執(zhí)行時(shí)所沒(méi)有的新問(wèn)題，如中斷、死鎖等，這便導(dǎo)致了操作系統(tǒng)的復(fù)雜化 411.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l基本特征：共享性 l操作系統(tǒng)作為多道程序系統(tǒng)規(guī)定管理機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是系統(tǒng)資源的管理者，同樣具有共享性共享性。 l 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源共享有兩種類型：l互斥共享，互斥共享，是指該類資源的分配必須以作業(yè)（或進(jìn)程）為單位，在一個(gè)作業(yè)（或進(jìn)程）沒(méi)有運(yùn)行完之前，另一個(gè)作業(yè)（或進(jìn)程）不得使用該類資源l“同時(shí)同時(shí)”共享，共享，是指多個(gè)作業(yè)（或進(jìn)程）可“同時(shí)”使用該類資源，這里的“同時(shí)”和并發(fā)性中的“同時(shí)”有著相同的含義421.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l基本

25、特征：虛擬性 l操作系統(tǒng)的虛擬性是指操作系統(tǒng)使用某種技術(shù)，將物理上的一個(gè)資源或設(shè)備變成邏輯上的多個(gè)資物理上的一個(gè)資源或設(shè)備變成邏輯上的多個(gè)資源或設(shè)備源或設(shè)備l虛擬出來(lái)的東西不過(guò)是用戶的“錯(cuò)覺(jué)”，并不是客觀存在的東西431.5.1 操作系統(tǒng)的基本特征l基本特征：異步性 l操作系統(tǒng)的異步性又稱之為不確定性，不是說(shuō)操作系統(tǒng)本身的功能不確定，也不是說(shuō)在操作系統(tǒng)控制下運(yùn)行的用戶程序的結(jié)果是不確定的l異步性指在操作系統(tǒng)控制下的多個(gè)作業(yè)的執(zhí)行順多個(gè)作業(yè)的執(zhí)行順序序和每個(gè)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間每個(gè)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間是不確定的，即進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)441.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l新特征：微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) l

26、現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)趨勢(shì)是盡可能將代碼移到更高層次，而僅保留一個(gè)最小的內(nèi)核，即微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)（microkernel architecture）l只給內(nèi)核分配一些最基本的功能，包括地址空間、進(jìn)程間通信和最基本的調(diào)度，而其它操作系統(tǒng)的功能都由運(yùn)行在用戶態(tài)下且與其它應(yīng)用程序類似的進(jìn)程提供l該方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、靈活，由于微內(nèi)核可以以相同的方式與本地和遠(yuǎn)程的服務(wù)進(jìn)程交互，也使得分布式系統(tǒng)的構(gòu)造更為方便451.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l新特征：多線程 l多線程（multithreading）技術(shù)是指把執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程劃分成可以同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)線程 l在同一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行多個(gè)

27、線程，在線程間來(lái)回切換所花費(fèi)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)要比在不同進(jìn)程間進(jìn)行切換的開(kāi)銷(xiāo)少l操作系統(tǒng)的多線程是指操作系統(tǒng)具有在一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程的能力461.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l新特征：對(duì)稱多處理 （Symmetric Multi Processing，SMP）l要求操作系統(tǒng)可以調(diào)度進(jìn)程或線程到所有的處理器上運(yùn)行，這使得它比單處理器結(jié)構(gòu)具有更多的潛在優(yōu)勢(shì)l對(duì)稱多處理還經(jīng)常和多線程放在一起討論，但它們是兩個(gè)獨(dú)立的概念l對(duì)稱多處理技術(shù)一個(gè)很有吸引力的特征是：多處理器的存在對(duì)用戶是透明的471.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l新特征：分布式操作系統(tǒng) l分布式操作系統(tǒng)（distributed operating sy

28、stem）是支持分布式處理的軟件系統(tǒng)，是在由通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)上執(zhí)行任務(wù)的系統(tǒng)l用戶可以透明的訪問(wèn)系統(tǒng)中共享的資源l分布式操作系統(tǒng)要依賴一個(gè)通信體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的通信功能481.5.2 操作系統(tǒng)的新特征l新特征：面向?qū)ο笤O(shè)計(jì) l操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)變革是使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)l面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)（object-oriented design）的原理用于給小內(nèi)核增加模塊化的擴(kuò)展上，簡(jiǎn)化了進(jìn)程間資源和數(shù)據(jù)的共享，便于保護(hù)資源免受未經(jīng)授便于保護(hù)資源免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)權(quán)的訪問(wèn)l在操作系統(tǒng)一級(jí)，基于對(duì)象的結(jié)構(gòu)是程序員可以定制操作系統(tǒng)，而不會(huì)破壞系統(tǒng)的完整性491.6 兩大操作系統(tǒng)介紹l最為流行的兩大桌

29、面操作系統(tǒng)是Windows和LinuxlWindows操作系統(tǒng)是微軟公司制作和研發(fā)的一套桌面操作系統(tǒng)，它問(wèn)世于1985年，起初僅僅是MS-DOS模擬環(huán)境，后續(xù)的系統(tǒng)版本由于微軟不斷的更新升級(jí)，不但易用，也慢慢的成為家家戶戶人們最喜愛(ài)的操作系統(tǒng)。lLinux操作系統(tǒng)誕生于1991 年的10月5日（第一次正式向外公布的時(shí)間），該操作系統(tǒng)是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。501.6.1 Windows操作系統(tǒng)l歷史 lMicrosoft公司從1983年開(kāi)始研制Windows系統(tǒng)，最初的研制目標(biāo)是在MS-DOS

30、的基礎(chǔ)上提供一個(gè)多任務(wù)的圖形用戶界面 lWindows 1.0于1985年問(wèn)世，它是一個(gè)具有圖形用戶界面的系統(tǒng)軟l1990年推出Windows 3.0，這是一個(gè)重要的里程碑,它以壓倒性的商業(yè)成功確定Windows系統(tǒng)在PC操作系統(tǒng)領(lǐng)域的壟斷地位l1995年，微軟開(kāi)始發(fā)售32位版本的操作系統(tǒng)Windows 95，它是一個(gè)基于DOS的混合16位/32位Windows系統(tǒng)。l2001年，NT的一個(gè)新桌面版本發(fā)布，即著名的Windows XP lWindows Azure是微軟正在開(kāi)發(fā)的一個(gè)面向云計(jì)算的NT版本，包含了大量針對(duì)公有云和私有云需求的特性511.6.1 Windows操作系統(tǒng)l體系結(jié)構(gòu) 521.6.2 Linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)lLinux操作系統(tǒng)開(kāi)始于IBM PC（Intel 80386）結(jié)構(gòu)的一個(gè)UNIX變體，最初版本是由芬蘭的一名計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生林納斯托瓦茲（Linus Torvalds）編寫(xiě)的。 lLinux以成為具有全面功能的UNIX系統(tǒng)，可以在所有這些平臺(tái)甚至更多的平臺(tái)上運(yùn)行，包括Intel Pentium、Itanium、Mo