第3章操作系統概論

在計算機軟件系統中操作系統是最重要的系統軟件，是整個計算機系統的管理與指揮機構，管理著計算機的所有資源。因此，要熟練使用計算機的操作系統，首先需要了解一些操作系統的基本知識。3.1操作系統的基本概述

操作系統（OperatingSystem，簡稱OS）是一種系統軟件，能對計算機資源進行控制和管理，合理組織計算機工作流程并方便用戶充分且有效地使用計算機資源的程序的集合。是用戶和計算機之間的接口。3.1.1操作系統的功能

從資源管理的角度來看，操作系統是一組資源管理模塊的集合，每個模塊完成一種特定的功能，具有以下管理功能。

1．處理器管理處理器管理的目的是為了讓CPU有條不紊地工作。由于系統內一般都有多道程序存在，這些程序都要在CPU上執行，而在同一時刻，CPU只能執行其中一個程序，故需要把CPU的時間合理地、動態地分配給各道程序，使CPU得到充分利用，同時使得各道程序的需求也能夠得到滿足。需要強調的是，因為CPU是計算機系統中最重要的資源，所以，操作系統的CPU管理也是操作系統中最重要的管理。為實現處理器管理的功能，系統引入了進程（Process）的概念，處理器的分配和執行都是以進程為基本單位；隨著并行處理技術的發展，為了進一步提高系統并行性，使并發執行單位的力度變強，操作系統又引入了線程（Thread）的概念。對處理器的管理最終歸結為對進程和線程的管理。

（1）程序、進程和線程。程序是由程序員編寫的一組穩定的指令，存儲在磁盤上；進程是執行的程序；線程是利用CPU的一個基本單位，也稱輕量級進程。程序是一個被動的，進程是一個主動的，多個進程可能與同一個程序相關聯，例如多個用戶運行郵件程序的不同拷貝，或者某個用戶同時開啟了文本編輯器程序的多個拷貝。一個進程可能只包含一個控制線程，現代操作系統的一個進程一般包含多個控制線程，屬于同一個進程的所有線程共享該進程的代碼段、數據段以及其他操作系統資源，如打開的文件和信號量。圖3-1Windows任務管理器

（2）進程的查看。例如打開了兩次記事本程序（NotePad），然后按下Ctrl+Alt+Delete組合鍵，打開“任務管理器”窗口，如圖3-1所示。2．存儲器管理它是指操作系統對計算機系統內存的管理，目的是使用戶合理地使用內存。其主要功能如下：（1）存儲分配。存儲管理將根據用戶程序的需要給它分配存儲器資源。（2）存儲共享。存儲管理能讓主存中的多個用戶程序實現存儲資源的共享，以提高存儲器的利用率。（3）存儲保護。存儲管理要把各個用戶程序相互隔離起來互不干擾，更不允許用戶程序訪問操作系統的程序和數據，從而保護用戶程序存放在存儲器中的信息不被破壞。（4）存儲擴充。由于物理內存容量有限，難于滿足用戶程序的需求，存儲管理還應該能從邏輯上來擴充內存儲器，為用戶提供一個比內存實際容量大得多的編程空間，方便用戶的編程和使用。操作系統按照存儲管理可分為兩類：單道程序和多道程序。1）單道程序。單道程序是同一時刻只運行一道程序，應用程序和操作系統共享存儲器，大多數內存用于應用程序，操作系統只占用一小部分，程序整體裝入內存，運行結束后由其他程序替代，如圖3-2中給出了單道程序的內存分配。單道程序工作簡單明了，同時具有顯著的缺點：程序大小必需小于內存大小，CPU的利用率很低。

2）多道程序。在分時系統中，允許多個進程同時在存儲器里，當某個進程等待I/O而阻塞時，其他進程可以利用CPU，從而提高CPU的利用率，為此，操作系統引入多道程序的內存管理方案。在多道程序中，同一時刻可以裝入多個程序并且能夠同時執行這些程序，CPU輪流為它們服務，圖3-3給出了多道程序的內存分配方案。圖3-2單道程序的內存分配圖3-3多道程序的內存分配

實現多道程序最容易的辦法是把主存劃分為N個固定分區（各分區大小可能不相等），當一個作業到達時，可以把它存放到能夠容納它的最小分區的輸入隊列中，每個作業在排到隊列頭時被裝入一個分區，它停留在主存中直到運行完畢。但如果每個程序大小不一如何處理？3．設備管理設備管理的主要任務是對計算機系統內的所有設備實施有效的管理，使用戶方便靈活地使用設備。

4．文件管理文件管理則是對系統的信息資源的管理。通常把程序和數據以文件形式存儲在外存儲器上，供用戶使用。這樣，外存儲器上保存了大量文件，對這些文件如不能采取良好的管理方式，就會導致混亂或破壞，造成嚴重后果。為此，在操作系統中配置了文件管理，它的主要任務是對用戶文件和系統文件進行有效管理，實現按名存取；實現文件的共享、保護和保密，保證文件的安全性；并提供給用戶一套能方便使用文件的操作和命令。文件存儲空間的管理：對存儲空間的分配和回收等功能。目錄管理：目錄是為方便文件管理而設置的數據結構，它能提供按名存取的功能。文件的操作和使用：實現文件的操作，完成數據的讀寫。文件保護：提供文件保護功能，防止文件遭到破壞。5．作業管理作業是反映用戶在一次計算或數據處理中要求計算機所作的工作集合。作業管理的主要任務是作業調度和作業控制。

6．網絡與通信管理聯網操作系統至少應具有以下管理功能。①網上資源管理功能。計算機網絡的主要目的之一是共享資源，網絡操作系統應實現網上資源的共享，管理用戶應用程序對資源的訪問，保證信息資源的安全性和一致性。②數據通信管理功能。計算機聯網后，站點之間可以互相傳送數據，進行通信，通過通信軟件，按照通信協議的規定，完成網絡上計算機之間的信息傳送。③網絡管理功能。包括故障管理、安全管理、性能管理、記賬管理和配置管理。

7．用戶接口提供方便、友好的用戶界面，使用戶無需了解過多的軟硬件細節就能方便靈活地使用計算機。

不同的硬件結構，尤其是不同的應用環境，應有不同類型的操作系統，以實現不同的目標。通常把操作系統分為如下幾類。

1．按結構和功能分類一般分為批處理系統、分時系統、實時系統、網絡操作系統、分布式操作系統。①批處理操作系統。批處理操作系統的基本特征是批量處理，它把提高系統的處理能力，即作業的吞吐量，作為主要設計目標，同時也兼顧作業的周轉時間。所謂周轉時間就是從作業提交給系統到用戶作業完成并取得計算結果的運轉時間。批處理系統可分為單道批處理系統和多道批處理系統兩大類。②分時操作系統。分時操作系統往往用于連接幾十甚至上百個終端的系統，每個用戶在他自己的終端上控制其作業的運行，而處理機則按固定時間片輪流地為各個終端服務。這種系統的特點就是對連接終端的輪流快速響應。在這種系統中，各終端用戶可以獨立地工作而互不干擾，宏觀上每個終端好像獨占處理機資源，而微觀上則是各終端對處理機的分時共享。分時操作系統側重于及時性和交互性，一些比較典型的分時操作系統有UNIX等。3.1.2操作系統的分類③實時操作系統實時系統是很少需要人工干預的控制系統，它的一個基本特征是事件驅動設計，即當接受了某些外部信息后，由系統選擇某一程序去執行，完成相應的實時任務。其目標是及時響應外部設備的請求，并在規定時間內完成有關處理，時間性強、響應快是這種系統的特點。多用于生產過程控制和事務處理。④網絡操作系統網絡操作系統，就是在計算機網絡系統中，管理一臺或多臺主機的軟硬件資源，支持網絡通信，提供網絡服務的軟件集合。⑤分布式操作系統分布式操作系統也是由多臺計算機連接起來組成的計算機網絡，系統中若干臺計算機可以互相協作來完成一個共同任務。系統中的計算機無主次之分，系統中的資源被提供給所有用戶共享，一個程序可分布在幾臺計算機上并行地運行，互相協調完成一個共同的任務。分布式操作系統的引入主要是為了增加系統的處理能力、節省投資、提高系統的可靠性。把一個計算問題分成若干個子計算，每個子計算可以分布在網絡中的各臺計算機（可發揮該機的功能）上執行，這種用于管理分布式計算機系統中資源的操作系統稱為分布式操作系統。2．按用戶數量分類①單用戶操作系統

2000年以前大多數微機上運行的大多數操作系統都屬于這一種。如MS-DOS、Windows95/98等。②多用戶操作系統多用戶操作系統允許多個用戶通過各自的終端使用同一臺主機，共享主機中各類資源。常見的多用戶多任務操作系統有Windows2000Server、WindowsXP、WindowsServer2003、WindowsVista以及UNIX等。

3．按操作系統提供的操作界面分類按操作系統提供的操作界面進行分類又可把操作系統分為字符類操作系統和圖形類操作系統。字符類操作系統有MS-DOS、PC-DOS、UNIX等；圖形類操作系統有Windows系列、OS/2、MAC、Linux等。

4．多媒體操作系統計算機能處理文字信息、圖形、聲音、圖像等其他媒體信息。為了能夠對這類信息和資源進行處理和管理，從而出現了一種多媒體操作系統。多媒體操作系統是以上各種操作系統的結合體。1．并發性并發性（Concurrence）是指兩個或兩個以上的運行程序在同一時間間隔段內同時執行。操作系統是一個并發系統，并發性是它的重要特征，它應該具有處理多個同時執行程序的能力。多個I/O設備同時在輸入輸出；設備輸入輸出和CPU計算同時進行；內存中同時有多個程序被啟動交替、穿插地執行，這些都是并發性的例子。發揮并發性能夠消除計算機系統中部件和部件之間的相互等待，有效地改善了系統資源的利用率，改進了系統的吞吐率，提高了系統效率。例如，一個程序等待I/O時，就讓出CPU，而調度另一個運行程序則占有CPU執行。這樣，在程序等待I/O時，CPU便不會空閑，這就是并發技術。為了更好地解決并發性引發的一系列問題，如怎樣從一個運行程序切換到另一個運行程序？操作系統中很早就引入了一個重要的概念——進程，由于進程能清淅刻畫操作系統中的并發性，實現多個運行程序的并發執行，因而它已成為現代操作系統的一個重要基礎。采用了并發技術的系統又稱為多任務系統（Multitasking）。3.1.3操作系統的主要特性

2．共享性共享性指操作系統中的資源（包括硬件資源和信息資源）可被多個并發執行的進程所使用。出于經濟上的考慮，一次性向每個用戶程序分別提供它所需的全部資源不但是浪費的，有時也是不可能的。現實的方法是讓多個用戶程序共用一套計算機系統的所有資源，因而必然會產生共享資源的需要。資源共享的方式可以分成兩種：第一種是互斥共享。第二種是同時訪問。共享性和并發性是操作系統兩個最基本的特征。

3．異步性

操作系統的第三個特點是異步性（Asynchronism），或稱隨機性。在多道程序環境中，允許多個進程并發執行，由于資源有限而進程眾多，多數情況，進程（程序）的執行不是一貫到低，而是“走走停停”，例如，一個進程在CPU上運行一段時間后，由于等待資源滿足或事件發生，它被暫停執行，CPU轉讓給另一個進程執行。系統中的進程何時執行？何時暫停？以什么樣的速度向前推進？進程總共要多少時間執行才能完成？這些都是不可予知的，或者說該進程是以異步方式運行的，異步性給系統帶來了潛在的危險，有可能導致與時間有關的錯誤，但只要運行環境相同，操作系統必須保證多次運行作業，都會獲得完全相同的結果。1．Windows操作系統

Windows系統是由美國的Microsoft（微軟）公司開發出來的一種圖形用戶界面的操作系統，它采用圖形的方式替代了DOS系統中復雜的命令行形式，使用戶能輕松地操作計算機，大大提高了人機交互能力。

Microsoft于1985年推出了Windows1.0版，1987年又推出了Windows2.0版，1990年5月，Microsoft推出了Windows3.0版，獲得了較大的成功，也標志著Windows時代的到來。但是嚴格地講，Windows3.x還不能稱為純粹的操作系統，因為它必需在DOS上運行。但需要指出的是，Windows3.x可以完成DOS的所有功能，并且與DOS有著本質的區別。

1995年8月，Microsoft公司推出了Windows95，這是一個真正的多用戶、多任務，完全采用圖形界面的操作系統。隨后又陸續推出了Windows98（1998年6月）、Windows2000（2000年）、WindowsXP（2001年10月），使其功能日趨完善，使用更加方便。新推出的Windows7（2009年10月22日）操作系統具有新的繪圖與表現引擎，新的通信架構和新的文件系統。3.1.4常用操作系統介紹2．UNIX操作系統

UNIX操作系統是一個多用戶、多任務的分時操作系統。從1969年在美國AT&T的Bell實驗室問世以來，經過了一個長期的發展過程，它被廣泛的應用在小型機、超級電腦、大型機甚至巨型機上。

UNIX對硬件要求較高，現階段的UNIX系統各版本之間兼容性不好，用戶界面雖然有了相當大的改善，但與Windows等操作系統相比還有不小的差距，這些都限制了UNIX的進一步流行。

3．Linux系統

Linux最初由芬蘭人LinusTorvalds開發，其源程序在Internet網上公開發布，由此引發了全球電腦愛好者的開發熱情，許多人下載該源程序并按自己的意愿完善某一方面的功能，再發回網上，Linux也因此被雕琢成為一個全球最穩定的、最有發展前景的操作系統。

4．MacOS操作系統

MacOS操作系統是美國Apple公司推出的操作系統，運行在Macintosh計算機上，是全圖形化界面和操作方式的鼻祖。WindowsXP是美國微軟公司新一代的操作系統，它結合了Windows2000和Windows98中的許多優秀功能，提供了更高層次的安全性、穩定性和易用性。WindowsXP版本如下：WindowsXPHomeEdition；WindowsXPProfessional；WindowsXPServer；WindowsXPAdvancedServer；WindowsXPDataCenter等。本書中將重點介紹WindowsXPProfessional