湘潭大學(xué)操作系統(tǒng)第一章課件

1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第1章操作系統(tǒng)概述2目錄1.1什么是操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)發(fā)展歷史1.3操作系統(tǒng)主要功能1.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.5操作系統(tǒng)的特征1.6兩大操作系統(tǒng)介紹31.1什么是操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本、最重要的系統(tǒng)軟件，是其它軟件的支撐。控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，合理的組織計(jì)算機(jī)工作流程，并為用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)提供公共和基本的服務(wù)。兩個(gè)主要目標(biāo)：1.高效性

操作系統(tǒng)允許以更加高效的方式使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源2.方便性操作系統(tǒng)使得用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)更加方便41.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

目前，計(jì)算機(jī)采用的都是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出五大部件組成。運(yùn)算器（ALU，ArithmeticLogicUnit）：進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，并能暫存運(yùn)算結(jié)果的部件?？刂破鳎–U，ControlUnit）：控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行及處理運(yùn)算結(jié)果的部件。存儲(chǔ)器（Memory）：用于存放數(shù)據(jù)和程序。輸入/輸出設(shè)備（I/O）：用于實(shí)現(xiàn)將人們熟悉的信息形式與機(jī)器能識(shí)別的信息形式之間的相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)總線(xiàn)（SystemBus）：連接計(jì)算機(jī)各模塊并為其通信提供服務(wù)。51.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

61.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

運(yùn)算器和控制器被合在一起統(tǒng)稱(chēng)為中央處理單元（CPU，CentralProcessUnit）。存儲(chǔ)器則由一系列存儲(chǔ)單元組成，這些單元由順序編號(hào)的地址定義。CPU執(zhí)行的程序是由一組保存在存儲(chǔ)器中的指令組成。指令的處理步驟：取指令和執(zhí)行指令。71.1.2操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

早期的計(jì)算機(jī)上配置的操作系統(tǒng)是單用戶(hù)操作系統(tǒng)，這樣的操作系統(tǒng)只允許一個(gè)用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)，用戶(hù)獨(dú)占計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源，整個(gè)系統(tǒng)為用戶(hù)的程序運(yùn)行提供服務(wù)。為了解決這一問(wèn)題，提高系統(tǒng)資源利用率，人們研究并實(shí)現(xiàn)了一系列新的軟件技術(shù)，如多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)、分時(shí)技術(shù)、多任務(wù)控制和協(xié)調(diào)、資源分配策略和處理機(jī)調(diào)度策略等。81.1.2操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算模型仍然是順序計(jì)算模型，其特點(diǎn)是集中順序過(guò)程控制，而操作系統(tǒng)的并行計(jì)算模型需要支持多用戶(hù)、多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，這就產(chǎn)生了一對(duì)矛盾，即硬件結(jié)構(gòu)的順序計(jì)算模型和操作系統(tǒng)的并行計(jì)算模型之間的矛盾。為了解決這一矛盾，人們開(kāi)始研究與并行計(jì)算模型相一致的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了多處理機(jī)系統(tǒng)、消息傳遞型多計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等具有并行能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中最為常見(jiàn)的是多處理機(jī)系統(tǒng)中的多核計(jì)算模型。91.1.2操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

多核（multicore）是指將兩個(gè)或多個(gè)處理器組裝在同一塊芯片上，故又名單芯片多處理器（chipmultiprocessor）。一個(gè)典型的多核系統(tǒng)的例子是Intel的酷睿i7處理器。四個(gè)x86處理器每個(gè)處理器都有其專(zhuān)用的L2高速緩存所有處理器共享一個(gè)L3高速緩存101.1.2操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

111.2操作系統(tǒng)發(fā)展歷史

操作系統(tǒng)是由客觀的需要而產(chǎn)生的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的變化和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛而不斷的發(fā)展和完善。了解這些年來(lái)操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史，有助于理解操作系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)需求，也有助于理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征。121.2.1無(wú)操作系統(tǒng)

早期的計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)40年代后期到50年代中期，處于電子管時(shí)代，沒(méi)有配備任何操作系統(tǒng)，程序員是直接與計(jì)算機(jī)硬件打交道。程序員將事先已穿孔的紙帶（卡片）裝入紙帶輸入機(jī)（卡片輸入機(jī)），再啟動(dòng)輸入機(jī)將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。容易出現(xiàn)CPU、內(nèi)存等資源等待人工操作的現(xiàn)象，造成資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重降低了計(jì)算機(jī)資源的利用率，這就是所謂的“人機(jī)矛盾”。為了緩和這些矛盾，提高系統(tǒng)資源的利用率，20世紀(jì)50年代末期出現(xiàn)了脫機(jī)輸入/輸出（Off-LineI/O）技術(shù)。131.2.1無(wú)操作系統(tǒng)

圖1.3具有脫機(jī)I/O技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖141.2.2單道批處理系統(tǒng)

20世紀(jì)50年代中期，人們開(kāi)始用晶體管代替真空管來(lái)制造計(jì)算機(jī)。這使得計(jì)算機(jī)的體積大大減小，功耗顯著降低，同時(shí)可靠性和運(yùn)算速度也得到了提升，但造價(jià)仍十分昂貴。為了能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，通常是把一批作業(yè)以脫機(jī)的方式輸入到磁盤(pán)（磁帶）上，并為其配上監(jiān)控程序（Monitor），在它的控制下使得這批作業(yè)能夠一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)處理。151.2.2單道批處理系統(tǒng)

第一個(gè)批處理操作系統(tǒng)，同時(shí)也是第一個(gè)操作系統(tǒng)，是由GM（GeneralMotors，通用）為IBM701開(kāi)發(fā)的。用戶(hù)不再直接和機(jī)器硬件打交道，而是把作業(yè)提交給計(jì)算機(jī)操作員，由操作員按順序把作業(yè)組織成一批，并將整批作業(yè)放在輸入設(shè)備上，供監(jiān)控程序使用。單道批處理系統(tǒng)具有自動(dòng)性、順序性和單道性的特點(diǎn)，對(duì)磁盤(pán)（磁帶）上的作業(yè)能自動(dòng)地逐個(gè)地依次執(zhí)行，提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)吞吐量。161.2.2單道批處理系統(tǒng)

圖1.4

單道批處理系統(tǒng)處理流程171.2.3多道批處理系統(tǒng)

圖1.5

單道程序工作示意圖181.2.3多道批處理系統(tǒng)

多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)(IBM,FrancesAllen)主要思想——在內(nèi)存中同時(shí)存放若干道用戶(hù)作業(yè)，并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源，當(dāng)一道程序因I/O請(qǐng)求而暫停執(zhí)行時(shí)，CPU便轉(zhuǎn)而執(zhí)行另外一道程序，由此形成了多道批處理系統(tǒng)(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)。191.2.3多道批處理系統(tǒng)

假設(shè)有A，B兩個(gè)程序圖1.6

多道程序工作示意圖201.2.3多道批處理系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：多道性：計(jì)算機(jī)的主存中同時(shí)存放有多道相互獨(dú)立的程序。宏觀上的并行性：在同一時(shí)間段內(nèi)，同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的多道程序都處于運(yùn)行狀態(tài)。

——一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的并行微觀上的串行性：在某一時(shí)刻，CPU上只有一道程序在執(zhí)行，多道程序輪流或分時(shí)占有CPU。211.2.3多道批處理系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)需解決的問(wèn)題：處理機(jī)的管理和分配問(wèn)題內(nèi)存的分配和保護(hù)問(wèn)題I/O設(shè)備的管理和分配問(wèn)題文件的組織和管理問(wèn)題221.2.4分時(shí)系統(tǒng)

多個(gè)用戶(hù)分享了CPU的時(shí)間，因而稱(chēng)為分時(shí)系統(tǒng)（TimeSharingSystem）在分時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)終端同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)控制每個(gè)用戶(hù)程序以很短的時(shí)間（稱(chēng)之為“時(shí)間片”）為單位交替運(yùn)行。最早的分時(shí)操作系統(tǒng)是由麻省理工學(xué)院（MIT）在1961年為IBM709開(kāi)發(fā)的兼容分時(shí)系統(tǒng)（CompatibleTime-SharingSystem，CTSS），后被移植到IBM7094中。231.2.4分時(shí)系統(tǒng)

分時(shí)系統(tǒng)與多道批處理系統(tǒng)相比，具有明顯不同的特點(diǎn)：交互性：用戶(hù)可以通過(guò)終端與系統(tǒng)直接進(jìn)行對(duì)話(huà)。及時(shí)性：用戶(hù)的請(qǐng)求能在人們所能接受的等待時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)。獨(dú)立性：每個(gè)用戶(hù)獨(dú)占一個(gè)終端，彼此獨(dú)立，互不干擾，因此用戶(hù)感覺(jué)像是他一個(gè)人獨(dú)占主機(jī)。多路性：允許在一臺(tái)主機(jī)上同時(shí)聯(lián)接多臺(tái)終端。宏觀上，多個(gè)用戶(hù)同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源；微觀上，每個(gè)用戶(hù)程序輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著操作系統(tǒng)的形成。241.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)

所謂實(shí)時(shí)，是指“立刻”、“馬上”。實(shí)時(shí)系統(tǒng)(realtimesystem)則要求系統(tǒng)對(duì)特定輸入做出反應(yīng)的速度足以控制發(fā)出實(shí)時(shí)信號(hào)的對(duì)象，或者說(shuō)系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)和設(shè)備協(xié)調(diào)一致的工作。按照實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將其分為兩大類(lèi)：實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)：實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并據(jù)其進(jìn)行控制、計(jì)算；實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)：實(shí)時(shí)信息查詢(xún)、實(shí)時(shí)事務(wù)處理251.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：及時(shí)性交互性獨(dú)立性多路性高可靠性26

1.2.6操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展

20世紀(jì)80年代以來(lái)，操作系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)了具有圖形用戶(hù)界面、功能強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)；具有網(wǎng)絡(luò)資源共享、遠(yuǎn)程通訊能力的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)；能使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)共同完成某一工作的多處理機(jī)操作系統(tǒng)；具有單一系統(tǒng)鏡像、分布處理能力的分布式操作系統(tǒng)以及分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等。隨著計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)的迅速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，出現(xiàn)了一種構(gòu)架于服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)硬件資源和單機(jī)操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)等基礎(chǔ)軟件之上，用以管理海量的基礎(chǔ)硬件、軟件資源的云平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)，稱(chēng)之為云操作系統(tǒng)。271.3操作系統(tǒng)主要功能

操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是為多道程序提供良好的運(yùn)行環(huán)境，并能最大程度的提高系統(tǒng)中各種資源的利用率和方便用戶(hù)使用。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，操作系統(tǒng)應(yīng)具備：處理器管理存儲(chǔ)管理設(shè)備管理文件管理用戶(hù)接口281.3.1處理機(jī)管理

進(jìn)程控制基本功能是創(chuàng)建和撤銷(xiāo)進(jìn)程、控制進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)程同步進(jìn)程同步是指系統(tǒng)對(duì)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)，使它們能有條不紊的運(yùn)行進(jìn)程通信進(jìn)程通信是指相關(guān)進(jìn)程之間的信息交換進(jìn)程調(diào)度指按照一定的調(diào)度算法在等待執(zhí)行的進(jìn)程中選出其中一個(gè)，并為其分配CPU、設(shè)置運(yùn)行環(huán)境，使其投入運(yùn)行291.3.2存儲(chǔ)管理

內(nèi)存分配為每道程序分配必要的內(nèi)存空間，提高存儲(chǔ)器的利用率，減少空間浪費(fèi)，在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí)，可采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)是確保每道程序都只在自己的內(nèi)存空間里運(yùn)行，防止因一道程序的錯(cuò)誤而干擾其它程序，也絕不允許用戶(hù)程序隨意訪問(wèn)操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)地址映射把目標(biāo)程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成為內(nèi)存空間中的物理地址內(nèi)存擴(kuò)充內(nèi)存擴(kuò)充是借助虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，在不增加物理內(nèi)存空間的前提下，從邏輯上對(duì)內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)充，使系統(tǒng)能夠運(yùn)行內(nèi)存需求量比實(shí)際內(nèi)存更大的作業(yè)，或是讓更多的作業(yè)能夠并發(fā)執(zhí)行301.3.3設(shè)備管理

緩沖管理緩沖是指在內(nèi)存中劃出來(lái)用作暫時(shí)存放信息的一部分區(qū)域。在CPU和I/O設(shè)備之間設(shè)置緩沖區(qū)，則可以有效緩解速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，從而提高系統(tǒng)吞吐量。設(shè)備分配根據(jù)用戶(hù)所請(qǐng)求的設(shè)備類(lèi)型、數(shù)量，按照一定分配算法對(duì)設(shè)備進(jìn)行分配設(shè)備處理設(shè)備處理程序又稱(chēng)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其基本任務(wù)是由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)指定的I/O設(shè)備、完成用戶(hù)規(guī)定的I/O操作，并對(duì)設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和處理。虛擬設(shè)備管理虛擬設(shè)備也稱(chēng)邏輯設(shè)備，是指操作系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備虛擬技術(shù)，把每次僅供一個(gè)進(jìn)程使用的獨(dú)享設(shè)備改造成能被多個(gè)用戶(hù)使用的設(shè)備311.3.4文件管理

文件存儲(chǔ)空間管理一些當(dāng)前需要使用的系統(tǒng)文件和用戶(hù)文件，都必須放在可隨機(jī)存取的磁盤(pán)上。為此，必須由操作系統(tǒng)統(tǒng)一對(duì)文件的存儲(chǔ)空間進(jìn)行管理，提高存儲(chǔ)空間的利用率，同時(shí)也提高文件系統(tǒng)的存取速度。目錄管理目錄又稱(chēng)文件目錄，是用來(lái)描述系統(tǒng)中所有文件基本情況的一個(gè)表。為了使用戶(hù)能夠方便的在外存上找到自己所需的文件，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)。在不同的系統(tǒng)中，目錄有著不同的組織方式文件讀寫(xiě)管理對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作，是文件管理必須具備的最基本的操作。該功能可以根據(jù)用戶(hù)的請(qǐng)求，從外存指定區(qū)域把指定數(shù)量的信息讀入到內(nèi)存指定的用戶(hù)區(qū)或系統(tǒng)區(qū)，或?qū)⒅付〝?shù)量的信息從內(nèi)存寫(xiě)入外存指定區(qū)域。文件保護(hù)為了防止系統(tǒng)中的文件被非法竊取和破壞，必須提供有效的存取控制機(jī)制文件系統(tǒng)的安全性是指文件系統(tǒng)避免因軟件或硬件故障而造成信息破壞的能力321.3.5用戶(hù)接口

命令接口為了便于用戶(hù)直接或間接控制自己的作業(yè)，操作系統(tǒng)向用戶(hù)提供了命令接口。用戶(hù)可以通過(guò)該接口向作業(yè)發(fā)出命令，以控制作業(yè)的運(yùn)行。程序接口該接口是為用戶(hù)程序在執(zhí)行過(guò)程中訪問(wèn)系統(tǒng)資源而設(shè)定的，是用戶(hù)程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑。程序接口是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每當(dāng)應(yīng)用程序要求操作系統(tǒng)提供某種類(lèi)型的服務(wù)時(shí)，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。圖形接口采用圖形化的操作界面，用非常容易識(shí)別的圖標(biāo)將系統(tǒng)的各種命令直觀、逼真的表示出來(lái)，用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)，借助菜單、對(duì)話(huà)框，就可以完成對(duì)應(yīng)用程序和文件的操作，極大的方便了用戶(hù)的使用。331.4操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有4種設(shè)計(jì)方法：?jiǎn)误w結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)341.4.1單體結(jié)構(gòu)在單體結(jié)構(gòu)中，操作系統(tǒng)是一組過(guò)程的集合，每一過(guò)程都有一個(gè)定義好的接口，包括入口參數(shù)和返回值。過(guò)程間可以相互調(diào)用而不受約束。它的特點(diǎn)是操作系統(tǒng)運(yùn)行效率高，但這種結(jié)構(gòu)難以理解、難以維護(hù)，驗(yàn)證其正確性也十分困難。早期的操作系統(tǒng)，如AT&TSystemV和BSDUNIX內(nèi)核就是采用一體化結(jié)構(gòu)的最具代表性的例子。351.4.2模塊化結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其功能是通過(guò)邏輯獨(dú)立的模塊來(lái)劃分的，相關(guān)模塊間具有定義良好的接口，通過(guò)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的調(diào)用。模塊具有良好的封裝性，數(shù)據(jù)抽象允許模塊隱藏?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。采用模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的好處是系統(tǒng)能作為抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型或?qū)ο蠓椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)，這樣有利于操作系統(tǒng)的理解和維護(hù)，缺點(diǎn)是存在潛在的性能退化。361.4.3可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)內(nèi)核分為基礎(chǔ)核心和其它核心功能兩部分基礎(chǔ)核心包括公共必須的基本功能集合。這種結(jié)構(gòu)方法也可為特定操作系統(tǒng)定義策略獨(dú)立模塊和特定策略模塊兩類(lèi)模塊。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)基于客戶(hù)/服務(wù)器模型，有微內(nèi)核和核外的服務(wù)器進(jìn)程組成。371.4.4層次結(jié)構(gòu)在層次結(jié)構(gòu)當(dāng)中，操作系統(tǒng)由若干層組成，最內(nèi)層是裸機(jī)，即機(jī)器的硬件功能部分，其它各層可以看成是一系列的虛擬機(jī)，每一層提供一組完整的功能，并且該組功能僅僅依賴(lài)于該層以?xún)?nèi)的各層。對(duì)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)而言，分層結(jié)構(gòu)的限制過(guò)于嚴(yán)格，所以很少采用這種方法來(lái)構(gòu)造操作系統(tǒng)。381.4.4層次結(jié)構(gòu)391.5操作系統(tǒng)的特征基本特征并發(fā)性共享性虛擬性異步性新特征微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)多線(xiàn)程對(duì)稱(chēng)多處理分布式操作系統(tǒng)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)401.5.1操作系統(tǒng)的基本特征基本特征：并發(fā)性并發(fā)是操作系統(tǒng)的第一個(gè)重要特征所謂并發(fā)是指在一段時(shí)間內(nèi)有多道程序同時(shí)在計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)之為并發(fā)系統(tǒng)（concurrentsystem）操作系統(tǒng)是并發(fā)系統(tǒng)的管理機(jī)構(gòu)，其本身也是并發(fā)執(zhí)行的，是與用戶(hù)程序以及其它用戶(hù)態(tài)程序一起并發(fā)執(zhí)行的。程序的并發(fā)執(zhí)行帶來(lái)了許多程序串行執(zhí)行時(shí)所沒(méi)有的新問(wèn)題，如中斷、死鎖等，這便導(dǎo)致了操作系統(tǒng)的復(fù)雜化411.5.1操作系統(tǒng)的基本特征基本特征：共享性操作系統(tǒng)作為多道程序系統(tǒng)規(guī)定管理機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是系統(tǒng)資源的管理者，同樣具有共享性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源共享有兩種類(lèi)型：互斥共享，是指該類(lèi)資源的分配必須以作業(yè)（或進(jìn)程）為單位，在一個(gè)作業(yè)（或進(jìn)程）沒(méi)有運(yùn)行完之前，另一個(gè)作業(yè)（或進(jìn)程）不得使用該類(lèi)資源“同時(shí)”共享，是指多個(gè)作業(yè)（或進(jìn)程）可“同時(shí)”使用該類(lèi)資源，這里的“同時(shí)”和并發(fā)性中的“同時(shí)”有著相同的含義421.5.1操作系統(tǒng)的基本特征基本特征：虛擬性操作系統(tǒng)的虛擬性是指操作系統(tǒng)使用某種技術(shù)，將物理上的一個(gè)資源或設(shè)備變成邏輯上的多個(gè)資源或設(shè)備虛擬出來(lái)的東西不過(guò)是用戶(hù)的“錯(cuò)覺(jué)”，并不是客觀存在的東西431.5.1操作系統(tǒng)的基本特征基本特征：異步性操作系統(tǒng)的異步性又稱(chēng)之為不確定性，不是說(shuō)操作系統(tǒng)本身的功能不確定，也不是說(shuō)在操作系統(tǒng)控制下運(yùn)行的用戶(hù)程序的結(jié)果是不確定的異步性指在操作系統(tǒng)控制下的多個(gè)作業(yè)的執(zhí)行順序和每個(gè)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間是不確定的，即進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)441.5.2操作系統(tǒng)的新特征新特征：微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)趨勢(shì)是盡可能將代碼移到更高層次，而僅保留一個(gè)最小的內(nèi)核，即微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)（microkernelarchitecture）只給內(nèi)核分配一些最基本的功能，包括地址空間、進(jìn)程間通信和最基本的調(diào)度，而其它操作系統(tǒng)的功能都由運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)下且與其它應(yīng)用程序類(lèi)似的進(jìn)程提供該方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、靈活，由于微內(nèi)核可以以相同的方式與本地和遠(yuǎn)程的服務(wù)進(jìn)程交互，也使得分布式系統(tǒng)的構(gòu)造更為方便451.5.2操作系統(tǒng)的新特征新特征：多線(xiàn)程多線(xiàn)程（multithreading）技術(shù)是指把執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程劃分成可以同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)線(xiàn)程在同一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行多個(gè)線(xiàn)程，在線(xiàn)程間來(lái)回切換所花費(fèi)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)要比在不同進(jìn)程間進(jìn)行切換的開(kāi)銷(xiāo)少操作系統(tǒng)的多線(xiàn)程是指操作系統(tǒng)具有在一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線(xiàn)程的能力461.5.2操作系統(tǒng)的新特征新特征：對(duì)稱(chēng)多處理（SymmetricMultiProcessing，SMP）要求操作系統(tǒng)可以調(diào)度進(jìn)程或線(xiàn)程到所有的處理器上運(yùn)行，這使得它比單處理器結(jié)構(gòu)具有更多的潛在優(yōu)勢(shì)對(duì)稱(chēng)多處理還經(jīng)常和多線(xiàn)程放在一起討論，但它們是兩個(gè)獨(dú)立的概念對(duì)稱(chēng)多處理技術(shù)一個(gè)很有吸引力的特征是：多處理器的存在對(duì)用戶(hù)是透明的471.5.2操作系統(tǒng)的新特征新特征：分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)（distributedoperatingsystem）是支持分布式處理的軟件系統(tǒng)，是在由通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)上執(zhí)行任務(wù)的系統(tǒng)用戶(hù)可以透明的訪問(wèn)系統(tǒng)中共享的資源分布式操作系統(tǒng)要依賴(lài)一個(gè)通信體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的通信功能481.5.2操作系統(tǒng)的新特征新特征：面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)變革是使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)（object-orienteddesign）的原理用于給小內(nèi)核增加模塊化的擴(kuò)展上，簡(jiǎn)化了進(jìn)程間資源和數(shù)據(jù)的共享，便于保護(hù)資源免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)在操作系統(tǒng)一級(jí)，基于對(duì)象的結(jié)構(gòu)是程序員可以定制操作系統(tǒng)，而不會(huì)破壞系統(tǒng)的完整性491.6兩大操作系統(tǒng)介紹最為流行的兩大桌面操作系統(tǒng)是Windows和LinuxWindows操作系統(tǒng)是微軟公司制作和研發(fā)的一套桌面操作系統(tǒng)，它問(wèn)世于1985年，起初僅僅是MS-DOS模擬環(huán)境，后續(xù)的系統(tǒng)版本由于微軟不斷的更新升級(jí)，不但易用，也慢慢的成為家家戶(hù)戶(hù)人們最喜愛(ài)的操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)誕生于1991年的10月5日（第一次正式向外公布的時(shí)間），該操作系統(tǒng)是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶(hù)、多任務(wù)、支持多線(xiàn)程和多CPU的操作系統(tǒng)。501.6.1Windows操作系統(tǒng)歷史Microsoft公司從1983年開(kāi)始研制Windows系統(tǒng)，最初的研制目標(biāo)是在MS-DOS的基礎(chǔ)上提供一個(gè)多任務(wù)的圖形用戶(hù)界面Windows1.0于1985年問(wèn)世，它是一個(gè)具有圖形用戶(hù)界面的系統(tǒng)軟1990年推出Windows3.0，這是一個(gè)重要的里程碑,它以壓倒性的商業(yè)成功確定Windows系統(tǒng)在PC操作系統(tǒng)領(lǐng)域的壟斷地位1995年，微軟開(kāi)始發(fā)售32位版本的操作系統(tǒng)Windows95，它是一個(gè)基于DOS的混合16位/32位Windows系統(tǒng)。2001年，NT的一個(gè)新桌面版本發(fā)布，即著名的WindowsXP

WindowsAzure是微軟正在開(kāi)發(fā)的一個(gè)面向云計(jì)算的NT版本，包含了大量針對(duì)公有云和私有云需求的特性511.6.1Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)521.6.2Linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)開(kāi)始于IBMPC（Intel80386）結(jié)構(gòu)的一個(gè)UNIX變體，最初版本是由芬蘭的一名計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生林納斯·托瓦茲（LinusTorvalds）編寫(xiě)的。Linux以成為具有全面功能的UNIX系統(tǒng)，可以在所有這些平臺(tái)甚至更多的平臺(tái)上運(yùn)行，包括IntelPentium、Itanium、Motorola/IBMPowerPC以及大量的移動(dòng)設(shè)備。Linux成功的關(guān)鍵在于，它是由自由軟件基金會(huì)（FreeSoftwareFoundation，F(xiàn)SF）贊助的自由軟件。531.6.2Linux操作系統(tǒng)Linux的結(jié)構(gòu)是一個(gè)模塊的集合，這些模塊可以通過(guò)命令自動(dòng)地加載和卸載，這使得盡管Linux沒(méi)有