湯子瀛《計算機操作系統(tǒng)》（第4版）【教材精講＋考研真題解析】講義與視頻課程【46.5小時高清視頻】

第一部分教材精講[視頻講解]第一章操作系統(tǒng)引論[視頻講解]本章內(nèi)容1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1 操作系統(tǒng)的目標(biāo)目前存在著多種類型的OS，不同類型的OS，其目標(biāo)各有所側(cè)重。通常在計算機硬件上配置的OS，其目標(biāo)有以下幾點：1．方便性2．有效性3．可擴充性4．開放性1.1.2 操作系統(tǒng)的作用1.OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間接口的含義是：OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)?；蛘哒f，用戶在OS幫助下，能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。應(yīng)注意，OS是一個系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。圖1-1 OS作為接口的示意圖（1）命令方式。這是指由OS提供了一組聯(lián)機命令（語言），用戶可通過鍵盤輸入有關(guān)命令，來直接操縱計算機系統(tǒng)。（2）系統(tǒng)調(diào)用方式。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在自己的應(yīng)用程序中通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，來操縱計算機。（3）圖形、窗口方式。用戶通過屏幕上的窗口和圖標(biāo)來操縱計算機系統(tǒng)和運行自己的程序。2.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者在一個計算機系統(tǒng)中，通常都含有各種各樣的硬件和軟件資源。歸納起來可將資源分為四類：處理器、存儲器、I/O設(shè)備以及信息（數(shù)據(jù)和程序）。相應(yīng)地，OS的主要功能也正是針對這四類資源進(jìn)行有效的管理，即：處理機管理，用于分配和控制處理機；存儲器管理，主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收；I/O設(shè)備管理，負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；文件管理，負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護?？梢?，OS確是計算機系統(tǒng)資源的管理者。事實上，當(dāng)今世界上廣為流行的一個關(guān)于OS作用的觀點，正是把OS作為計算機系統(tǒng)的資源管理者。3.OS用作擴充機器對于一臺完全無軟件的計算機系統(tǒng)（即裸機），即使其功能再強，也必定是難于使用的。如果我們在裸機上覆蓋上一層I/O設(shè)備管理軟件，用戶便可利用它所提供的I/O命令，來進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和打印輸出。此時用戶所看到的機器，將是一臺比裸機功能更強、使用更方便的機器。通常把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機器或虛機器。如果我們又在第一層軟件上再覆蓋上一層文件管理軟件，則用戶可利用該軟件提供的文件存取命令，來進(jìn)行文件的存取。此時，用戶所看到的是臺功能更強的虛機器。如果我們又在文件管理軟件上再覆蓋一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形成一臺功能更強的虛機器。1.1.3 推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力1．不斷提高計算機資源利用率2．方便用戶3．器件的不斷更新?lián)Q代4．計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1 無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1．人工操作方式從第一臺計算機誕生（1945年）到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。這時的計算機操作是由用戶（即程序員）采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)，即由程序員將事先已穿孔（對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù)）的紙帶（或卡片）裝入紙帶輸入機（或卡片輸入機），再啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，然后啟動計算機運行。當(dāng)程序運行完畢并取走計算結(jié)果后，才讓下一個用戶上機。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點：（1）用戶獨占全機。（2）CPU等待人工操作。2．脫機輸入/輸出（Off-LineI/O）方式這種脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：（1）減少了CPU的空閑時間。（2）提高I/O速度。圖1-2 脫機I/O示意圖1.2.2 單道批處理系統(tǒng)1．單道批處理系統(tǒng)（SimpleBatchProcessingSystem）的處理過程圖1-3 單道批處理系統(tǒng)的處理流程2．單道批處理系統(tǒng)的特征單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴(yán)格地說，它只能算作是OS的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的OS。盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系統(tǒng)已有很大進(jìn)步。該系統(tǒng)的主要特征如下：（1）自動性。（2）順序性。（3）單道性。1.2.3 多道批處理系統(tǒng)1．多道程序設(shè)計的基本概念在單道批處理系統(tǒng)中，內(nèi)存中僅有一道作業(yè)，它無法充分利用系統(tǒng)中的所有資源，致使系統(tǒng)性能較差。為了進(jìn)一步提高資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序設(shè)計技術(shù)，由此而形成了多道批處理系統(tǒng)（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）。在該系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。在OS中引入多道程序設(shè)計技術(shù)可帶來以下好處：（1）提高CPU的利用率。當(dāng)內(nèi)存中僅有一道程序時，每逢該程序在運行中發(fā)出I/O請求后，CPU空閑，必須在其I/O完成后才繼續(xù)運行；尤其因I/O設(shè)備的低速性，更使CPU的利用率顯著降低。圖1-4（a）示出了單道程序的運行情況，從圖可以看出：在t2~t3、t6~t7時間間隔內(nèi)CPU空閑。在引入多道程序設(shè)計技術(shù)后，由于同時在內(nèi)存中裝有若干道程序，并使它們交替地運行，這樣，當(dāng)正在運行的程序因I/O而暫停執(zhí)行時，系統(tǒng)可調(diào)度另一道程序運行，從而保持了CPU處于忙碌狀態(tài)。圖1-4 單道和多道程序運行情況（2）可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。為了能運行較大的作業(yè)，通常內(nèi)存都具有較大容量，但由于80%以上的作業(yè)都屬于中小型，因此在單道程序環(huán)境下，也必定造成內(nèi)存的浪費。類似地，對于系統(tǒng)中所配置的多種類型的I/O設(shè)備，在單道程序環(huán)境下也不能充分利用。如果允許在內(nèi)存中裝入多道程序，并允許它們并發(fā)執(zhí)行，則無疑會大大提高內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率。（3）增加系統(tǒng)吞吐量。在保持CPU、I/O設(shè)備不斷忙碌的同時，也必然會大幅度地提高系統(tǒng)的吞吐量，從而降低作業(yè)加工所需的費用。2．多道批處理系統(tǒng)的特征（1）多道性。（2）無序性。（3）調(diào)度性。3．多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點（1）資源利用率高。（2）系統(tǒng)吞吐量大。（3）平均周轉(zhuǎn)時間長。（4）無交互能力。4．多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題（1）處理機管理問題。（2）內(nèi)存管理問題。（3）I/O設(shè)備管理問題。（4）文件管理問題。（5）作業(yè)管理問題。1.2.4 分時系統(tǒng)1．分時系統(tǒng)（Time-SharingSystem）的產(chǎn)生如果說，推動多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動分時系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，則是用戶的需求。或者說，分時系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）人—機交互。（2）共享主機。（3）便于用戶上機。2．分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題為實現(xiàn)分時系統(tǒng)，其中，最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時，系統(tǒng)應(yīng)能及時接收并及時處理該命令，再將結(jié)果返回給用戶。此后，用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即人—機交互。應(yīng)強調(diào)指出，即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應(yīng)能全部地及時接收并處理。3．分時系統(tǒng)的特征（1）多路性。（2）獨立性。（3）及時性。（4）交互性。1.2.5 實時系統(tǒng)所謂“實時”，是表示“及時”，而實時系統(tǒng)（Real-TimeSystem）是指系統(tǒng)能及時（或即時）響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。1．應(yīng)用需求（1）實時控制。（2）實時信息處理。2．實時任務(wù)（1）按任務(wù)執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分①周期性實時任務(wù)。②非周期性實時任務(wù)。外部設(shè)備所發(fā)出的激勵信號并無明顯的周期性，但都必須聯(lián)系著一個截止時間（Deadline）。它又可分為：a．開始截止時間——任務(wù)在某時間以前必須開始執(zhí)行；b．完成截止時間——任務(wù)在某時間以前必須完成。（2）根據(jù)對截止時間的要求來劃分①硬實時任務(wù)（hardreal-timetask）。系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對截止時間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預(yù)測的結(jié)果。②軟實時任務(wù)（Softreal-timetask）。它也聯(lián)系著一個截止時間，但并不嚴(yán)格，若偶爾錯過了任務(wù)的截止時間，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不會太大。1.3 操作系統(tǒng)的基本特性1.3.1 并發(fā)（Concurrence）并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個概念，并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行，但在單處理機系統(tǒng)中，每一時刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時地交替執(zhí)行。倘若在計算機系統(tǒng)中有多個處理機，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個處理機上，實現(xiàn)并行執(zhí)行，即利用每個處理機來處理一個可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個程序便可同時執(zhí)行。1.3.2 共享（Sharing）在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程（線程）共同使用。由于資源屬性的不同，進(jìn)程對資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享方式。1．互斥共享方式系統(tǒng)中的某些資源，如打印機、磁帶機，雖然它們可以提供給多個進(jìn)程（線程）使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程（線程）訪問該資源。為此，當(dāng)一個進(jìn)程A要訪問某資源時，必須先提出請求，如果此時該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請求進(jìn)程A使用，此后若再有其它進(jìn)程也要訪問該資源時（只要A未用完）則必須等待。僅當(dāng)A進(jìn)程訪問完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)程對該資源進(jìn)行訪問。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享，而把在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源或獨占資源。計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，以及某些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們要求被互斥地共享。2．同時訪問方式系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時間內(nèi)由多個進(jìn)程“同時”對它們進(jìn)行訪問。這里所謂的“同時”往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對該資源進(jìn)行訪問。典型的可供多個進(jìn)程“同時”訪問的資源是磁盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件，也可以被“同時”共享，即若干個用戶同時訪問該文件。并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征，它們又是互為存在的條件。一方面，資源共享是以程序（進(jìn)程）的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；另一方面，若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。1.3.3 虛擬（Virtual）操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。物理實體（前者）是實的，即實際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。相應(yīng)地，用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實現(xiàn)虛擬處理機、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。在虛擬處理機技術(shù)中，是通過多道程序設(shè)計技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時使用一臺處理機的。此時，雖然只有一臺處理機，但它能同時為多個用戶服務(wù)，使每個終端用戶都認(rèn)為是有一個CPU在專門為他服務(wù)。亦即，利用多道程序設(shè)計技術(shù)，把一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的CPU，也稱為虛擬處理機，我們把用戶所感覺到的CPU稱為虛擬處理器。類似地，可以通過虛擬存儲器技術(shù)，將一臺機器的物理存儲器變?yōu)樘摂M存儲器，以便從邏輯上來擴充存儲器的容量。此時，雖然物理內(nèi)存的容量可能不大（如32MB），但它可以運行比它大得多的用戶程序（如128MB）。這使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實際內(nèi)存容量大得多，認(rèn)為該機器的內(nèi)存至少也有128MB。當(dāng)然這時用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶所感覺到的存儲器稱為虛擬存儲器。我們還可以通過虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺物理I/O設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個用戶占用一臺邏輯上的I/O設(shè)備，這樣便可使原來僅允許在一段時間內(nèi)由一個用戶訪問的設(shè)備（即臨界資源），變?yōu)樵谝欢螘r間內(nèi)允許多個用戶同時訪問的共享設(shè)備。例如，原來的打印機屬于臨界資源，而通過虛擬設(shè)備技術(shù)，可以把它變?yōu)槎嗯_邏輯上的打印機，供多個用戶“同時”打印。此外，也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道（虛信道）。在操作系統(tǒng)中，虛擬的實現(xiàn)主要是通過分時使用的方法。顯然，如果n是某物理設(shè)備所對應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的平均速度必然是物理設(shè)備速度的1/n．1.3.4 異步性（Asynchronism）在多道程序環(huán)境下，允許多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但只有進(jìn)程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個處理機，因而每次只允許一個進(jìn)程執(zhí)行，其余進(jìn)程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程提出某種資源要求時，如打印請求，而此時打印機正在為其它某進(jìn)程打印，由于打印機屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進(jìn)程必須等待，且放棄處理機，直到打印機空閑，并再次把處理機分配給該進(jìn)程時，該進(jìn)程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢姡捎谫Y源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運行。內(nèi)存中的每個進(jìn)程在何時能獲得處理機運行，何時又因提出某種資源請求而暫停，以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需多少時間才能完成，等等，都是不可預(yù)知的。由于各用戶程序性能的不同，比如，有的側(cè)重于計算而較少需要I/O；而又有的程序其計算少而I/O多，這樣，很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成；而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成?；蛘哒f，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。盡管如此，但只要運行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運行，都會獲得完全相同的結(jié)果。因此，異步運行方式是允許的，是操作系統(tǒng)的一個重要特征。1.4 操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1 處理機管理功能1．進(jìn)程控制在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下，要使作業(yè)運行，必須先為它創(chuàng)建一個或幾個進(jìn)程，并為之分配必要的資源。當(dāng)進(jìn)程運行結(jié)束時，立即撤消該進(jìn)程，以便能及時回收該進(jìn)程所占用的各類資源。進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)代OS中，進(jìn)程控制還應(yīng)具有為一個進(jìn)程創(chuàng)建若干個線程的功能和撤消（終止）已完成任務(wù)的線程的功能。2．進(jìn)程同步為使多個進(jìn)程能有條不紊地運行，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機制。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個進(jìn)程（含線程）的運行進(jìn)行協(xié)調(diào)。有兩種協(xié)調(diào)方式：①進(jìn)程互斥方式，這是指諸進(jìn)程（線程）在對臨界資源進(jìn)行訪問時，應(yīng)采用互斥方式；②進(jìn)程同步方式，指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程（線程）間，由同步機構(gòu)對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。為了實現(xiàn)進(jìn)程同步，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機制。最簡單的用于實現(xiàn)進(jìn)程互斥的機制，是為每一個臨界資源配置一把鎖W，當(dāng)鎖打開時，進(jìn)程（線程）可以對該臨界資源進(jìn)行訪問；而當(dāng)鎖關(guān)上時，則禁止進(jìn)程（線程）訪問該臨界資源。3．進(jìn)程通信在多道程序環(huán)境下，為了加速應(yīng)用程序的運行，應(yīng)在系統(tǒng)中建立多個進(jìn)程，并且再為一個進(jìn)程建立若干個線程，由這些進(jìn)程（線程）相互合作去完成一個共同的任務(wù)。而在這些進(jìn)程（線程）之間，又往往需要交換信息。例如，有三個相互合作的進(jìn)程，它們是輸入進(jìn)程、計算進(jìn)程和打印進(jìn)程。輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計算進(jìn)程；計算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，并把計算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后，由打印進(jìn)程把計算結(jié)果打印出來。進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息交換。4．調(diào)度在后備隊列上等待的每個作業(yè)，通常都要經(jīng)過調(diào)度才能執(zhí)行。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步。作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù)，是從后備隊列中按照一定的算法，選擇出若干個作業(yè)，為它們分配其必需的資源（首先是分配內(nèi)存）。在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它們都成為可能獲得處理機的就緒進(jìn)程，并按照一定的算法將它們插入就緒隊列。當(dāng)相互合作的進(jìn)程(線程)處于同一計算機系統(tǒng)時，通常在它們之前是采用直接通信方式，即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息(message)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊列上，以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊列中取出消息。而進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)，則是從進(jìn)程的就緒隊列中選出一新進(jìn)程，把處理機分配給它，并為它設(shè)置運行現(xiàn)場，使進(jìn)程投入執(zhí)行。值得提出的是，在多線程OS中，通常是把線程作為獨立運行和分配處理機的基本單位，為此，須把就緒線程排成一個隊列，每次調(diào)度時，是從就緒線程隊列中選出一個線程，把處理機分配給它。1.4.2 存儲器管理功能1．內(nèi)存分配OS在實現(xiàn)內(nèi)存分配時，可采取靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。在靜態(tài)分配方式中，每個作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時確定的；在作業(yè)裝入后的整個運行期間，不允許該作業(yè)再申請新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動”；在動態(tài)分配方式中，每個作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間，也是在裝入時確定的，但允許作業(yè)在運行過程中，繼續(xù)申請新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動態(tài)增漲，也允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動”。為了實現(xiàn)內(nèi)存分配，在內(nèi)存分配的機制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能：①內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況，作為內(nèi)存分配的依據(jù)；②內(nèi)存分配功能，系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法，為用戶程序分配內(nèi)存空間；③內(nèi)存回收功能，系統(tǒng)對于用戶不再需要的內(nèi)存，通過用戶的釋放請求，去完成系統(tǒng)的回收功能。2．內(nèi)存保護內(nèi)存保護的主要任務(wù)，是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運行，彼此互不干擾。為了確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運行，必須設(shè)置內(nèi)存保護機制。一種比較簡單的內(nèi)存保護機制，是設(shè)置兩個界限寄存器，分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。系統(tǒng)須對每條指令所要訪問的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，便發(fā)出越界中斷請求，以停止該程序的執(zhí)行。如果這種檢查完全用軟件實現(xiàn)，則每執(zhí)行一條指令，便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查，這將顯著降低程序的運行速度。因此，越界檢查都由硬件實現(xiàn)。當(dāng)然，對發(fā)生越界后的處理，還須與軟件配合來完成。3．地址映射一個應(yīng)用程序（源程序）經(jīng)編譯后，通常會形成若干個目標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接便形成了可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程序中的其它地址都是相對于起始地址計算的；由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”，其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0”地址開始裝入（內(nèi)存），這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不相一致。使程序能正確運行，存儲器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件的支持下完成。4．內(nèi)存擴充存儲器管理中的內(nèi)存擴充任務(wù)，并非是去擴大物理內(nèi)存的容量，而是借助于虛擬存儲技術(shù)，從邏輯上去擴充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實際內(nèi)存容量大得多；或者是讓更多的用戶程序能并發(fā)運行。這樣，既滿足了用戶的需要，改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。為了能在邏輯上擴充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴充機制，用于實現(xiàn)下述各功能：（1）請求調(diào)入功能。（2）置換功能。1.4.3 設(shè)備管理功能設(shè)備管理用于管理計算機系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備，而設(shè)備管理的主要任務(wù)是，完成用戶進(jìn)程提出的I/O請求；為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備；提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設(shè)備。為實現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理、設(shè)備分配和設(shè)備處理，以及虛擬設(shè)備等功能。1．緩沖管理CPU運行的高速性和I/O低速性間的矛盾自計算機誕生時起便已存在。而隨著CPU速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更為突出，嚴(yán)重降低了CPU的利用率。如果在I/O設(shè)備和CPU之間引入緩沖，則可有效地緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量。因此，在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，都毫無例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū)，而且還可通過增加緩沖區(qū)容量的方法，來改善系統(tǒng)的性能。最常見的緩沖區(qū)機制有單緩沖機制、能實現(xiàn)雙向同時傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機制，以及能供多個設(shè)備同時使用的公用緩沖池機制。2．設(shè)備分配設(shè)備分配的基本任務(wù)，是根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O請求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況以及按照某種設(shè)備分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間，還存在著設(shè)備控制器和I/O通道時，還須為分配出去的設(shè)備分配相應(yīng)的控制器和通道。3．設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。其基本任務(wù)是用于實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，即由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。處理過程是：設(shè)備處理程序首先檢查I/O請求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)是否是空閑的，了解有關(guān)的傳遞參數(shù)及設(shè)置設(shè)備的工作方式。然后，便向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動程序還應(yīng)能及時響應(yīng)由控制器發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)該中斷請求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對于設(shè)置了通道的計算機系統(tǒng)，設(shè)備處理程序還應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。1.4.4 文件管理功能1．文件存儲空間的管理由文件系統(tǒng)對諸多文件及文件的存儲空間，實施統(tǒng)一的管理。其主要任務(wù)是為每個文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的運行速度。為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲空間的使用情況，以供分配存儲空間時參考；系統(tǒng)還應(yīng)具有對存儲空間進(jìn)行分配和回收的功能。為了提高存儲空間的利用率，對存儲空間的分配，通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為512B～8KB。2．目錄管理為了使用戶能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系統(tǒng)為每個文件建立一個目錄項。目錄項包括文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等。由若干個目錄項又可構(gòu)成一個目錄文件。目錄管理的主要任務(wù)，是為每個文件建立其目錄項，并對眾多的目錄項加以有效的組織，以實現(xiàn)方便的按名存取。即用戶只須提供文件名，即可對該文件進(jìn)行存取。其次，目錄管理還應(yīng)能實現(xiàn)文件共享，這樣，只須在外存上保留一份該共享文件的副本。此外，還應(yīng)能提供快速的目錄查詢手段，以提高對文件的檢索速度。3．文件的讀/寫管理和保護（1）文件的讀/寫管理。該功能是根據(jù)用戶的請求，從外存中讀取數(shù)據(jù)；或?qū)?shù)據(jù)寫入外存。在進(jìn)行文件讀（寫）時，系統(tǒng)先根據(jù)用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，從中獲得文件在外存中的位置。然后，利用文件讀（寫）指針，對文件進(jìn)行讀（寫）。一旦讀（寫）完成，便修改讀（寫）指針，為下一次讀（寫）做好準(zhǔn)備。由于讀和寫操作不會同時進(jìn)行，故可合用一個讀/寫指針。（2）文件保護。①防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件；②防止冒名頂替存取文件；③防止以不正確的方式使用文件。1.4.5 用戶接口1．命令接口（1）聯(lián)機用戶接口。這是為聯(lián)機用戶提供的，它由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成。當(dāng)用戶在終端或控制臺上每鍵入一條命令后，系統(tǒng)便立即轉(zhuǎn)入命令解釋程序，對該命令加以解釋并執(zhí)行該命令。在完成指定功能后，控制又返回到終端或控制臺上，等待用戶鍵入下一條命令。這樣，用戶可通過先后鍵入不同命令的方式，來實現(xiàn)對作業(yè)的控制，直至作業(yè)完成。（2）脫機用戶接口。該接口是為批處理作業(yè)的用戶提供的，故也稱為批處理用戶接口。該接口由一組作業(yè)控制語言JCL組成。批處理作業(yè)的用戶不能直接與自己的作業(yè)交互作用，只能委托系統(tǒng)代替用戶對作業(yè)進(jìn)行控制和干預(yù)。這里的作業(yè)控制語言JCL便是提供給批處理作業(yè)用戶的、為實現(xiàn)所需功能而委托系統(tǒng)代為控制的一種語言。用戶用JCL把需要對作業(yè)進(jìn)行的控制和干預(yù)，事先寫在作業(yè)說明書上，然后將作業(yè)連同作業(yè)說明書一起提供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度到該作業(yè)運行時，又調(diào)用命令解釋程序，對作業(yè)說明書上的命令，逐條地解釋執(zhí)行。如果作業(yè)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象，系統(tǒng)也將根據(jù)作業(yè)說明書上的指示進(jìn)行干預(yù)。這樣，作業(yè)一直在作業(yè)說明書的控制下運行，直至遇到作業(yè)結(jié)束語句時，系統(tǒng)才停止該作業(yè)的運行。2．程序接口該接口是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的惟一途徑。它是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每一個系統(tǒng)調(diào)用都是一個能完成特定功能的子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求OS提供某種服務(wù)（功能）時，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。早期的系統(tǒng)調(diào)用都是用匯編語言提供的，只有在用匯編語言書寫的程序中，才能直接使用系統(tǒng)調(diào)用；但在高級語言以及C語言中，往往提供了與各系統(tǒng)調(diào)用一一對應(yīng)的庫函數(shù)，這樣，應(yīng)用程序便可通過調(diào)用對應(yīng)的庫函數(shù)來使用系統(tǒng)調(diào)用。但在近幾年所推出的操作系統(tǒng)中，如UNIX、OS/2版本中，其系統(tǒng)調(diào)用本身已經(jīng)采用C語言編寫，并以函數(shù)形式提供，故在用C語言編制的程序中，可直接使用系統(tǒng)調(diào)用。3．圖形接口用戶雖然可以通過聯(lián)機用戶接口來取得OS的服務(wù)，但這時要求用戶能熟記各種命令的名字和格式，并嚴(yán)格按照規(guī)定的格式輸入命令，這既不方便又花時間，于是，圖形用戶接口便應(yīng)運而生。圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面，用非常容易識別的各種圖標(biāo)（icon）來將系統(tǒng)的各項功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。用戶可用鼠標(biāo)或通過菜單和對話框，來完成對應(yīng)用程序和文件的操作。此時用戶已完全不必像使用命令接口那樣去記住命令名及格式，從而把用戶從繁瑣且單調(diào)的操作中解脫出來。1.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計1.5.1 軟件工程的基本概念1．軟件的含義所謂軟件，是指當(dāng)計算機運行時，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，該程序能夠正確地處理信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；作為規(guī)范軟件，還應(yīng)具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文檔。如果說，硬件是物理部件，那么，軟件則是一種邏輯部件，它具有與硬件完全不同的特點。2．軟件工程的含義軟件工程是指運用系統(tǒng)的、規(guī)范的和可定量的方法，來開發(fā)、運行和維護軟件；或者說，是采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法，來開發(fā)與維護軟件，其目的是為了解決在軟件開發(fā)中所出現(xiàn)的編程隨意、軟件質(zhì)量不可保證以及維護困難等問題。1.5.2 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的大型軟件。為了控制該軟件的復(fù)雜性，在開發(fā)OS時，先后引入了分解、模塊化、抽象和隱蔽等方法。開發(fā)方法的不斷發(fā)展，促進(jìn)了OS結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。這里，我們把第一代至第三代的OS結(jié)構(gòu)，稱為傳統(tǒng)的OS結(jié)構(gòu)，而把微內(nèi)核的OS結(jié)構(gòu)稱為現(xiàn)代OS結(jié)構(gòu)。1．無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設(shè)計者只是把他的注意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設(shè)計思想。此時的OS是為數(shù)眾多的一組過程的集合，各過程之間可以相互調(diào)用，在操作系統(tǒng)內(nèi)部不存在任何結(jié)構(gòu)，因此，這種OS是無結(jié)構(gòu)的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此時程序設(shè)計的技巧，只是如何編制緊湊的程序，以便于有效地利用內(nèi)存、對GOTO語句的使用不加任何限制，所設(shè)計出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)。這一方面會使所編制出的程序錯誤很多，給調(diào)試工作帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護人員的負(fù)擔(dān)。2．模塊化OS結(jié)構(gòu)（1）模塊化結(jié)構(gòu)模塊化程序設(shè)計技術(shù)，是最早（20世紀(jì)60年代）出現(xiàn)的一種程序設(shè)計技術(shù)。該技術(shù)是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復(fù)雜度的。為使OS具有較清晰的結(jié)構(gòu)，OS不再是由眾多的過程直接構(gòu)成，而是將OS按其功能劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊。每個模塊具有某方面的管理功能，如進(jìn)程管理模塊、存儲器管理模塊、I/O設(shè)備管理模塊和文件管理模塊等，并規(guī)定好各模塊間的接口，使各模塊之間能通過該接口實現(xiàn)交互，然后再進(jìn)一步將各模塊細(xì)分為若干個具有一定管理功能的子模塊，如把進(jìn)程管理模塊又分為進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信和進(jìn)程調(diào)度等子模塊，同樣也要規(guī)定各子模塊之間的接口。若子模塊較大時，再進(jìn)一步將它細(xì)分。圖1-5示出了由模塊、子模塊等組成的模塊化OS結(jié)構(gòu)。圖1-5 模塊化操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）模塊化OS的優(yōu)缺點優(yōu)點：①提高了OS設(shè)計的正確性、可理解性和可維護性。②增強了OS的可適應(yīng)性。③加速了OS的開發(fā)過程。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺點有二。首先，在開始設(shè)計OS時，對模塊的劃分及對接口的規(guī)定并不精確，而且還可能存在錯誤，因而很難保證按此規(guī)定所設(shè)計出的模塊會完全正確，這將使在把這些模塊裝配成OS時發(fā)生困難；其次，從功能觀點來劃分模塊時，未能將共享資源和獨占資源加以區(qū)別；由于管理上的差異，又會使模塊間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系使OS結(jié)構(gòu)變得不清晰。3．分層式OS結(jié)構(gòu)（1）有序分層的基本概念從改進(jìn)設(shè)計方式上說，應(yīng)使我們的每一步設(shè)計都是建立在可靠的基礎(chǔ)上。我們可以從物理機器開始，在其上面先添加一層具有一定功能的軟件A1，由于A1是建立在完全確定的物理機器上的，在經(jīng)過精心設(shè)計和幾乎是窮盡無遺的測試后，可以認(rèn)為A1是正確的；然后再在A1上添加一層新軟件A2，……，如此一層一層地自底向上增添軟件層，每一層都實現(xiàn)若干功能，最后總能構(gòu)成一個能滿足需要的OS。分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是：每一層都僅使用其底層所提供的功能和服務(wù)，這樣可使系統(tǒng)的調(diào)試和驗證都變得容易，例如，在調(diào)試第一層軟件A1時，由于它只使用了物理機器提供的功能，因此它將與其所有的高層軟件A2，……，An無關(guān)；同樣在調(diào)試A2時，它也只使用了A1和物理機器所提供的功能，而與其高層軟件A3，……，An無關(guān)，這樣，一旦發(fā)現(xiàn)Ai出現(xiàn)錯誤時，通常該錯誤只會局限于Ai，因為它與所有其高層的軟件無關(guān)，而Ai層以下的各層軟件，又都經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)試。（2）層次的設(shè)置①程序嵌套。通常OS的每個功能的實現(xiàn)，并非是只用一個程序便能完成的，而是要經(jīng)由若干個軟件層才有可能完成。因此在劃分OS層次時，首先要考慮在實現(xiàn)OS的每個功能時所形成的程序嵌套。例如，作業(yè)調(diào)度模塊須調(diào)用進(jìn)程控制模塊；在為某作業(yè)創(chuàng)建一進(jìn)程時，進(jìn)程控制模塊又須調(diào)用內(nèi)存管理模塊為新進(jìn)程分配內(nèi)存空間，可見，進(jìn)程控制模塊應(yīng)在內(nèi)存管理模塊之上；而作業(yè)調(diào)度模塊又應(yīng)在更高層。②運行頻率。在分層結(jié)構(gòu)中，各層次軟件的運行速度是不同的，因為A1層軟件能直接在物理機器上運行，故它有最高的運行速度。隨著層次的增高，其相應(yīng)軟件的運行速度就隨之下降，因而An層軟件的運行速度最低。為了提高OS的運行效率，應(yīng)該將那些經(jīng)?；钴S的模塊放在最接近硬件的A1層，如時鐘管理、進(jìn)程調(diào)度，通常都放在A1層。（3）公用模塊。應(yīng)把供多種資源管程程序調(diào)用的公用模塊，設(shè)置在最低層，