第一章

導論第1章:導論操作系統做什么計算機系統組織計算機系統體系結構操作系統結構操作系統操作進程管理內存管理存儲管理保護盒安全分布式系統專用系統計算環境本章目標提供對操作系統主要部件的瀏覽提供基本的計算機系統體系結構的概述操作系統是什么?管理計算機硬件的程序，在計算機用戶和計算機硬件之間充當中介。操作系統的目標:運行用戶程序---核心目標更方便地解決用戶問題，使計算機系統方便地使用以一種高效的方式使用計算機硬件。計算機系統結構計算機系統可以分為四個部分硬件(Hardware)

–提供基本的計算資源CPU,memory,I/Odevices操作系統(OperatingSystem)控制和協調各用戶的應用程序對硬件的使用應用程序(Applicationprograms)

–規定了用戶按何種方式使用系統資源字處理程序,編譯器,網絡瀏覽器,數據庫系統,視頻游戲用戶(Users)人,機器,其他計算機計算機系統的4個部分操作系統定義OS是資源分配器管理所有資源面對沖突的資源請求，決定如何分配資源，以便系統能有效而公平地運行OS是控制程序管理用戶程序的運行以防止計算機資源的錯誤使用或使用不當操作系統定義(Cont.)沒有一個可廣泛接受的操作系統定義“當你預定一個“操作系統“時零售商所裝的所有東西”（簡單觀點）包括的特性隨系統不同而變化很大“一直運行在計算機上的程序”稱為內核(

kernel).其他程序則為系統程序和應用程序計算機系統組織計算機系統組織一個或多個CPU,若干通過共同的總線相連的設備控制器，總線提供對共享內存的訪問CPU和設備控制器可以并發工作，并競爭內存周期系統啟動引導程序(bootstrapprogram)在打開電源或重啟時被裝載通常位于ROM或EPROM中,稱為firmware(固件)初始化系統中的所有部分裝入操作系統內核并開始運行計算機系統操作I/O和CPU可以并發運行每個設備控制器負責一種特定類型的設備每個設備控制器有一個本地緩沖CPU在內存和本地緩沖之間移動數據I/O操作則是從設備到控制器的本地之間執行設備控制器告訴CPU通過調用中斷來完成操作中斷的常見功能通常中斷(interrupt)通過中斷矢量(interruptvector)把控制傳送給中斷服務程序，該中斷矢量包含了所有服務程序的地址中斷體系結構必須保護被中斷指令的地址當另一個中斷正在處理時，剛進入的中斷不能作用，以免丟失中斷陷阱(trap)是由于出錯或用戶請求引起的軟件生成的中斷操作系統是中斷驅動的中斷處理操作系統通過存儲寄存器和程序計數器而保留了CPU的狀態確定哪一種中斷發生了：輪詢矢量化中斷系統對每一類中斷分離代碼段，以確定應該采取什么反應單個進程處理輸出的中斷時間線路存儲結構主存(Mainmemory)-CPU可以直接訪問的唯一大型存儲介質二級存儲器(Secondarystorage)-主存的擴展提供了非易失的存儲容量磁盤(Magneticdisk)-覆蓋了磁記錄材料的硬金屬或玻璃盤片磁盤表面邏輯劃分了磁道、再劃分為扇面磁盤驅動器確定設備和計算機之間的相互作用存儲層次存儲系統分層組織速度成本易失性緩存(Cache)-把信息復制進較快的存儲系統；主存可看作為二級存儲器的最后一個緩存存儲設備層次

I/O結構開始I/O之后，僅當I/O完成之后控制才返回用戶程序等待指令空轉CPU，直至下一個中斷等待循環每一時刻最多一個I/O請求，無并行I/O處理在I/O開始之后，不等I/O完成控制就返回用戶程序系統調用(Systemcall)

-請求操作系統允許用戶等待I/O完成設備狀態表(Device-statustable)包括每個I/O設備的類型、地址和狀態操作系統引用設備狀態表以確定設備狀態并修改表入口加入中斷兩種I/O方法Synchronous同步Asynchronous異步設備狀態表直接內存訪問(DMA)結構用于高速I/O設備能夠以接近存儲器的速率傳送信息無須CPU的介入，設備控制器直接把數據塊從緩沖區存儲傳送到主存每數據塊(block)只要一個中斷，而不是每個字節一個中斷計算機系統體系結構單處理器系統一個CPU一個CPU一個Core多核處理器系統一個CPU一個CPU多個核，一個核即一個處理器多處理器系統優點：增加吞吐量，規模經濟，增加可靠性非對稱多處理（ASMP）對稱多處理（SMP）集群系統多處理器系統有多個緊密通信的處理器，也稱為并行系統(ParallelSystem)或緊耦合系統(TightlyCoupledSystem)。多個處理器共享計算機總線、時間、內存和外設等。多處理器系統的優點：增加吞吐量節省資金增加可靠性功能退化(gracefuldegradation)容錯系統(faulttolerant)多處理器系統（續）對稱多處理(SymmetricMultiprocessing,SMP)每個處理器運行操作系統的相同副本許多進程可以立即運行不會降低性能多數現代操作系統支持SMP非對稱多處理(AsymmetricMultiprocessing)每個處理器賦予一個特定任務；主處理器為從處理器調度和分配作業常用在非常大的系統中對稱對處理體系結構集群系統由兩個或多個獨立的系統耦合起來，共享數據。提供高可用性。非對稱集群(AsymmetricClustering)：一臺機器運行應用程序，而其他機器處于熱備份模式。對稱集群(SymmetricClustering)：多個主機都運行應用程序。集群系統簡單批處理系統自動作業調度-自動從一個運行完的作業轉換到運行下一個作業常駐監控程序（monitor）控制作業傳輸調度作業運行單道程序運行最早操作系統簡單批處理內存映像cardsIBM1401IBM7094IBM1401TapesCardreaderPrinter操作系統結構多道程序設計需要考慮有效性單個用戶通常不能總是使得CPU和I/O設備在所有時間內都忙碌多道程序設計通過組織作業（代碼或數據）使CPU總有一個作業可執行內存中保存系統中所有作業的子集通過作業調度(jobscheduling)選中一個作業并運行

當該作業必須等待時(如等待I/O),OS切換到另一個作業分時系統(或多任務)是多道程序設計的延伸，雖然CPU還是通過在作業之間的切換來執行多個作業，但由于切換頻率很高，用戶可以在程序運行期間與之進行交互響應時間<1second每個用戶至少有一個程序在內存中運行進程(process)如果同一時間多個作業都準備運行CPU調度(CPUscheduling)如果進程不適合內存，需要通過交換(swapping)來換入或換出來運行虛擬內存(Virtualmemory)允許運行的進程不完全在內存中多道程序系統的內存分布多道程序和單道程序運行例子操作系統操作由硬件中斷驅動軟件錯誤或特別請求產生異常或陷阱除數為零,完成操作系統服務等其他進程的問題，包括死循環，一個程序可能修改另一個程序，或操作系統本身雙重模式的操作允許OS保護自身和其他的系統部件用戶模式(Usermode)和內核模式(kernelmode)

由硬件提供模式位提供了區分系統正在運行用戶代碼或內核代碼的能力一些指令被指定為特權指令，只能運行在內核態系統調用切換運行模式到內核模式，并將調用結果返回給用戶雙重模式操作（續）狀態位(Modebit)添入計算機硬件，指示正確的狀態：管態（0）或用戶態（1）當中斷或錯誤出現，硬件切換至管態特權指令(Privilegedinstructions)只能在管態下使用

管態用戶態中斷設置用戶模式用戶模式到內核模式的轉換定時器防止用戶程序陷入死循環或進程過度消耗資源在給定時間后設置中斷操作系統遞減計數器當計數器為0時，產生中斷在調度進程前設置好計數器，來重新得到控制權或者終止超過所賦予時間的進程進程管理進程是正在執行的程序，是系統工作的單元。程序是被動的實體，進程是活動的實體。進程需要一定的資源CPU,內存,I/O,文件初始化數據進程終止時需要回收任何可用資源單線程進程有一個程序計數器，用于指示下一條運行指令的位置進程順序執行指令，直到進程終止多線程進程每個線程有一個程序計數器通常系統有多個進程，一些用戶進程，一些操作系統進程，并發運行在一個或多個CPU上通過在進程/線程間復用CPU來實現并發進程管理活動操作系統負責下述與進程管理有關的活動：創建和刪除用戶進程和系統進程掛起和重啟進程提供進程同步機制提供進程通信機制提供死鎖處理機制內存管理CPU處理前后的所有數據都在內存需要執行的所有指令都在內存內存管理決定在內存里的是什么為優化CPU的使用率和計算機對用戶的響應速度內存管理活動記錄內存的哪些部分正在被使用及被誰使用決定哪些進程和數據可以裝入或移出內存根據需要分配和釋放內存空間存儲管理OS提供統一的邏輯信息存儲觀點把存儲設備的物理屬性抽象成邏輯存儲單元–文件每種介質都由一個設備來控制(如,磁盤驅動,磁帶驅動)有各自特點，屬性包括訪問速度、容量、數據傳輸率和訪問方法(順序或隨機)文件系統管理文件通常組成目錄大部分系統中訪問控制決定什么人可以訪問什么文件管理活動包括創建和刪除文件和目錄提供操作文件和目錄的原語將文件映射到二級存儲上在穩定存儲介質上備份文件大容量存儲管理通常磁盤保存不能存在內存中的數據或必須長期保存的數據適當的管理是至關重要的計算機操作的最終速度與硬盤子系統的速度和管理算法有關操作系統的活動空閑空間管理存儲空間分配磁盤調度一些存儲不需要快速三級存儲包括了光盤，磁帶仍然必須管理好介質格式包括WORM(一次寫、多次讀)和RW(讀-寫)高速緩存(Caching)重要概念之一,在計算機中的很多級別中存在(硬件、操作系統、軟件)信息使用時，被臨時從慢速設備復制到更快的存儲系統中更快的存儲系統(高速緩存)首先檢查信息是否在高速緩存中如果是，直接使用高速緩存中的信息(快速)否則，將數據拷貝到高速緩存再使用高速緩存容量小于被緩存的存儲系統高速緩存管理的設計很重要高速緩存大小和置換策略選擇不同級別存儲器的性能存儲層次之間的信息移動可以是顯式的，也可以是隱式的I/O系統OS的目的之一在于對用戶隱藏具體硬件設備的特性I/O子系統負責：一個包括緩沖、高速緩存和假脫機的內存管理部分通用設備驅動器接口特定硬件設備的驅動程序保護和安全保護

–控制進程或用戶對計算機系統資源訪問的機制安全

–防止系統不受外部或內部攻擊范圍很廣，包括病毒和蠕蟲、拒絕服務攻擊、身份偷竊、服務偷竊系統通常首先區分所有用戶，來決定誰該做什么用戶標識(userIDs)包括名字和相關數字，每個用戶一個用戶標識與所有該用戶的文件和進程相關聯組標識(groupID)允許一組用戶被定義和控制管理，也跟每個進程和文件相關聯升級特權允許用戶更改有效ID以擁有更多權力計算環境傳統計算隨著時間的推移而模糊辦公環境一些聯網的PC，終端與提供批處理和分時的大型機或小型機相連現在門戶網站(portal)允許網絡和遠程系統訪問相同的資源家庭網絡以前是單一的系統，通過調制解調器相連現在使用防火墻相連計算環境(續)客戶-服務器計算智能PC機取代了啞終端許多中心系統成為服務器，響應由客戶機產生的請求計算服務器系統Compute-server

提供一個接口，接收客戶端的請求服務(如數據庫服務器)文件服務器系統

提供給客戶端接口來存儲和檢索文件對等（P2P）計算分布式系統的另一種模式P2P不區分客戶機和服務器所有節點都是對等的每一個都可作