操作系统引论

操作系统的目标和作用

操作系统的目标

  1. 方便性
  2. 有效性
  3. 可扩展性
  4. 开发性

操作系统的作用

操作系统在计算机系统中的作用,可以从用户资源管理资源抽象等多个不同的角度来分析和讨论

  • 用户角度:

    OS处于计算机硬件系统和用户之间,用户通过OS来使用计算机系统。在OS的帮助下,用户可以方便,快捷的使用计算机运行自己的软件。

  • 资源管理角度

    OS可以对计算机系统的硬件和软件资源进行有效的管理。归纳起来可以将这些资源分为四类:处理机,存储器,IO设备以及文件(数据和程序)。

  • 资源抽象角度

    对于一台裸机(完全无软件的计算机系统),它对用户提供的仅仅是硬件接口。除非用户对物理接口有充分的理解,否则难以使用。为了方便人们使用IO设备,人们在裸机上覆盖上一层 I/O 设备
    管理软件,如图 1-2 所示,由它来实现对 I/O 设备操作的细节,并向上提供一组 I/O 操作命令,如 Read 和 Write 命令,用户可利用它来进行数据输入或输出,而无需关心 I/O 是如何实现的

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操作系统的基本特性

并发

正是系统程序并发执行的特征,才使得OS能有效地提高系统中的资源利用率,增加系统的吞吐量

  1. 并行和并发

并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。而并非性是指两个或多个程序在同一时间间隔内发生。

并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行,但是在单处理机中,每一时刻却仅能有一道程序运行,故微观上这些程序是交替进行的

  1. 进程

进程,是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,它是一组机器指令,数据和堆栈组成的,是一个可独立运行的活动实体

多个进程间可以并发执行和交换信息。

共享

操作系统下的共享和一般情况下的共享含义并不完全相同。一般情况下的共享是指某种资源能被大家使用,并未限定时间和空间。如图书馆中的书可供大家借阅,但大家并不需要同时且在同一地点阅读。

而在操作系统环境下的共享或称为资源复用,是指系统中的资源可供内存中的多个并发执行的进程共同使用。这里宏观上限定了时间和地点(内存)。

由于这种资源共享方式,导致进程间对资源的争夺,所以系统必须对资源共享进程妥善管理。

资源共享的方式

  1. 互斥共享方式

系统中的某些资源,如打印机、磁带机,虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用,但为使所打印或记录的结果不致造成混淆,应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源

系统中应建立一种机制,以保证对这类资源的互斥访问。当一个进程 A 要访
问某资源时,必须先提出请求。如果此时该资源空闲,系统便可将之分配给请求进程 A 使用。此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要 A 未用完),则必须等待。仅当 A 进程访问完并释放该资源后,才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享

把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。计
算机系统中的大多数物理设备,以及某些软件中所用的栈、变量和表格,都属于临界资源,它们要求被互斥地共享。

  1. 同时访问方式

系统中还有另一类资源,允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”,在单处理机环境下往往是宏观上的,而在微观上,这些进程可能是交替、地对该资源进行访问。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,它们又是互为存在的条件

虚拟技术

操作系统中的所谓“虚拟” (Virtual) ,是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的,即实际存在的,而后者是虚的,仅是用户感觉上的东西。相应地,用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。

  1. 时分复用技术
    • 虚拟处理机技术
    • 虚拟设备技术

时分复用,亦即分时使用方式,它最早用于电信业中。为了提高信道的利用率,人们利用时分复用方式,将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道,将每条信道供一对用户通话。

  1. 空分复用技术
    • 虚拟磁盘技术
    • 虚拟存储器技术

早在上世纪初,电信业中就使用频分复用技术来提高信道的利用率。它是将一个频率范围非常宽的信道,划分成多个频率范围较窄的信道,其中的任何一个频带都只供一对用户通话。

异步性

在多道程序环境下允许多个进程并发执行,但只有进程在获得所需的资源后方能执行。、在单处理机环境下,由于系统中只有一台处理机,因而每次只允许一个进程执行,其余进程只能等待。

可见,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”,而是以“停停走走”的方式运行。

进程是以人们不可预知的速度向前推进,此即进程的异步性(Asynchronism)。


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