操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

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)是計算機系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)軟件，負責(zé)管理和控制計算機系統(tǒng)中硬件和軟件資源，合理地組織計算機工作流程和有效利用資源，在計算機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)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(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)編成一個作業(yè)執(zhí)行序列。批處理又可分為聯(lián)機批

2、處理和脫機批處理。批處理系統(tǒng)的主要特征有用戶脫機使用計算機、成批處理和多道程序運行。（2）分時操作系統(tǒng)采用分時技術(shù)，使多個用戶同時以會話方式控制自己程序的運行，每個用戶都感到似乎各自有一臺獨立的、支持自己請求服務(wù)的系統(tǒng)。分時技術(shù)把處理機的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各聯(lián)機作業(yè)使用。若某個作業(yè)在分配給它的時間片內(nèi)不能完成其計算，則該作業(yè)暫時中斷，把處理機讓給另一作業(yè)使用，等待下一輪時再繼續(xù)運行。分時系統(tǒng)的主要特征有

3、交互性、多用戶同時性和獨立性。（3）實時操作系統(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。實時系統(tǒng)并不強調(diào)資源利用率，而更關(guān)心及時性（時間緊迫性）、可靠性和完整性。實時系統(tǒng)又分為實時過程控制與實時信息處理兩種。實時系統(tǒng)的主要特征有提供即時響應(yīng)、高可靠性。（4）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個協(xié)議標準進行開發(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，各計算機的操作系統(tǒng)可以互不相同，它需要有一個環(huán)

4、境支持互連的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的異種計算機系統(tǒng)之間的進程通信，實現(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)要求一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性，負責(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。它是一個邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)，目前還沒有真正實現(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個基本功能，即處理機管理、存儲管理、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)。它以大型表格和隊列為中心，操作系統(tǒng)的各部分程序圍繞著表格運行，整個系統(tǒng)是一個程序。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)由許多標準的、可兼容的基本單位構(gòu)成（稱為模塊），各模塊相對獨立，模塊之間通過規(guī)定的接口相互調(diào)用。模塊化設(shè)計方法的優(yōu)點是縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，缺點是模塊之間調(diào)用關(guān)系復(fù)雜、相互依賴，從而使

6、分析、移植和維護系統(tǒng)較易出錯。（2）層次結(jié)構(gòu)。把一個大型復(fù)雜的操作系統(tǒng)分解成若干個單向依賴的層次，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，且有利于系統(tǒng)功能的增加或刪改，易于保證可靠性，也便于維護和移植。（3）面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)?；诿嫦?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的概念，采用了各種不同的對象技術(shù)。在計算機系統(tǒng)中對象是操作系統(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ο笞鳛橄到y(tǒng)中的最小單位，由對象、對象操作、對象保

7、護組成的操作系統(tǒng)，就是面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng)。例如WindowsServer中有執(zhí)行體對象（如進程、線程、文件和令牌等）和內(nèi)核對象（如時鐘、事件和信號等）。面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是適用于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)中。（4）對稱多處理結(jié)構(gòu)。如果一個操作系統(tǒng)在系統(tǒng)中的所有處理機運行且共享同一內(nèi)存（內(nèi)存儲器、主存、實存），這樣的系統(tǒng)就是一個對稱多處理系統(tǒng)。優(yōu)點是適合共享存儲器結(jié)構(gòu)的多處理機系統(tǒng)，即緊耦合的多處理機系統(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、僅包括了建立一個系統(tǒng)必需的幾個部分，如線程管理、地址空間和進程間通信等。微內(nèi)核的目標是將系統(tǒng)服務(wù)的實現(xiàn)和系統(tǒng)的基本操作規(guī)則分離開來。例如，進程的輸入輸出鎖定服務(wù)可以由運行在微內(nèi)核之外的一個服務(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)中比較高級的操作，這樣的設(shè)計使內(nèi)核中最核心部分的設(shè)計更簡單。一個服務(wù)組件的失效并不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，內(nèi)核需要做的，僅僅是重新啟動這個組件，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)之間無須進程識別。（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上，只需修改微內(nèi)核中極少代碼即可。（4）實時性好，微內(nèi)核可以方便地支持實時處理。（5）安全可靠性高，微內(nèi)核將安全性作為系統(tǒng)內(nèi)部特性來進行設(shè)計，對外僅使用少量應(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)表明進程具備運行條件但目前在二級存儲器（外存儲器、外存、輔存）中，只有當它被對換到內(nèi)存才能被調(diào)度執(zhí)行。靜止阻塞態(tài)則表明進程正在等待某一個事件且在二級存儲器中。圖12具有掛起功能系統(tǒng)的進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換引起進程狀態(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)：如果當前不存在活躍就緒進程，那么至少有一個等待態(tài)進程將被對換出去成為靜止阻塞態(tài)；操作系統(tǒng)根據(jù)當前資源狀況和性能要求，可以決定把活躍阻塞態(tài)進程對換出去成為靜止阻塞態(tài)。（2）靜止阻塞態(tài)→靜止就緒態(tài)：引起進程等待的事件發(fā)生之后，相應(yīng)的靜止阻塞態(tài)進程將轉(zhuǎn)換為靜止就緒態(tài)。（3）靜止就緒態(tài)→活躍就緒態(tài)：當內(nèi)存中沒有活躍就緒態(tài)進程，或者靜止就緒態(tài)進程具有比活躍就緒態(tài)進程更高的優(yōu)先級，系統(tǒng)將把靜止就緒態(tài)進程轉(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)當前資源狀況和性能要求，也可以決定把活躍就緒態(tài)進程對換出去成為靜止就緒態(tài)。（5）靜止阻塞態(tài)→活躍阻塞態(tài)：當一個進程等待一個事件時，原則上不需要把它調(diào)入內(nèi)存。但是，當一個進程退出后，內(nèi)存已經(jīng)有了一大塊自由空間，而某個靜止阻塞態(tài)進程具有較高的優(yōu)先級并且操作系統(tǒng)已經(jīng)得知導(dǎo)致它阻塞的事件即將結(jié)束，此時便發(fā)生了這一狀態(tài)變化。不難看出，一個掛起進程等同于不在內(nèi)存的進程，因此掛起的進程將不參與進程調(diào)度直到它們被

14、對換進內(nèi)存。一個掛起進程具有如下特征：（1）該進程不能立即被執(zhí)行。（2）掛起進程可能會等待一個事件，但所等待的事件是獨立于掛起條件的，事件結(jié)束并不能導(dǎo)致進程具備執(zhí)行條件。（3）進程進入掛起狀態(tài)是由于操作系統(tǒng)、父進程或進程本身阻止它的運行。（4）結(jié)束進程掛起狀態(tài)的命令只能通過操作系統(tǒng)或父進程發(fā)出。（5）阻塞態(tài)。進入阻塞態(tài)通常是因為在等待IO完成或等待分配到所需資源。1.2.2信號量與PV操作對于本知識點的考查，重點在于理解信號量與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，并能夠靈活地運用，相對來說是個難點。在操作系統(tǒng)中，進程之間經(jīng)常會存在互斥（都需要共享獨占性資源時）和同步（完成異步的兩個進程的協(xié)作）兩種關(guān)系。為了有效地處理這兩種情況，W.Dijkstra在1965年提出信號量和PV操作。（1）信號量：是一種特殊的變量，表現(xiàn)形式是一個整型S和一個隊列。（2）P操作：S=S–1，若S0，進程暫停執(zhí)行，進入等待隊列。（3）V操作：S=S1，若S?0，喚醒