操做系統基本結構和原理簡介

前言

部分朋友可能對底層較爲感興趣，但願多瞭解一些操做系統，該文爲這些朋友提供一些方便。操做系統博大精深，本文只能簡要介紹一二，皆爲操做系統基本知識，多數只能就就原理概念做扼要論述，具體細節有依賴於專門的教材予以論述。若想對部分細節較感興趣，也可與筆者交流。本文重於原理，不涉及具體系統，語言可能枯燥無味，望朋友們諒解。考慮到嚴謹性，本文參考教材上概念。因爲筆者能力有限，疏忽之處在所不免，還望各位朋友指正。

引論

1.1 操做系統的目標和做用

目前存在多種類型的OS，諸如多道批處理系統，分時系統，實時系統和早期曾存在的人工操做方式和單道批處理系統（已淘汰），目標各有側重。多道批處理系統重在提升資源利用率和吞吐量，分時系統重在人機交互，實時系統則要求能及時響應外部事件的請求。此外，微機操做系統還有單用戶單任務操做系統，例如CP/M和MS-DOS，單用戶多任務操做系統,例如Windows，和多用戶多任務操做系統，例如UNIX OS和它的兩個有名的變種Solaries和Linux OS.

操做系統的目標通常有四個（1）有效性，有效性有兩個含義，提升系統資源利用率和吞吐量（2）方便性（3）可擴充性（4）開放性

1.2 操做系統的做用

從通常用戶的觀點看，OS是用戶與硬件系統的接口。從資源管理的觀點看，OS是系統資源的管理者。

1.OS做爲用戶與計算機硬件系統的接口

用戶在OS的幫助下，可以方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行本身的程序。用戶可經過三種方式使用計算機：（1）命令方式（2）系統調用方式（3）圖形、窗口方式

2.OS做爲計算機系統資源的管理者

在計算機中資源可分爲四類：處理器、存儲器、I/O設備以及信息。當計算機供多個用戶使用時，用戶對系統中共享的資源可能發生衝突，操做系統必須協調各資源的使用。

3.OS實現對計算機硬件資源的抽象

OS是鋪設在硬件上的多層軟件，不只增長系統功能還隱藏了對硬件操做的細節。

1.3 操做系統的基本特性

1.3.1 併發性

1.並行與併發

並行是指兩個或者多個事件在同一時刻發生，而併發是兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。

2.引入進程

進程是指在系統中能獨立運行並做爲資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數據和堆棧等組成，是一個能獨立運行的活動實體。

3.進入線程

在引入線程的OS中，一般把進程做爲分配資源的基本單位，線程做爲獨立運行和調度的單位。線程比進程更小，基本不擁有資源，調度開銷很小，引入線程能夠提升系統的併發性。

1.3.2共享性

在操做系統環境下，共享是指資源可供內存多個併發執行的進程（線程）共同使用。共享有兩種：互斥共享和同時訪問。

1.3.3虛擬技術

操做系統有兩種虛擬技術，時分複用和空分複用。時分複用主要有虛擬處理機技術和虛擬設備技術，空分複用主要有虛擬磁盤和虛擬存儲器技術。

1.3.4異步性

進程是以不可預知的方式向前推動，但只要操做系統進程管理機制完善且運行環境不變，做業的運行將得到完整的結果。

1.4操做系統的主要功能

操做系統的主要任務是爲多道程序的運行提供良好的環境，以保證多道程序高效的運行，並最大限度的提升各類資源利用率和方便用戶使用。爲此，操做系統必須具有處理機管理，存儲器管理，設備管理和文件管理。

1.4.1處理機管理

1.進程控制

程序段、相關的數據段和PCB構成進程實體。進程有三種基本狀態（1）就緒，擁有除CPU之外的資源（2）執行（3）阻塞，發生某事件沒法執行。此外還有掛起，建立和終止狀態。

2.進程同步

進程同步的主要任務是協調多個進程的次序，使進程共享資源和相互合做，從而便程序的執行具備可再現性。進程有兩種制約關係：間接和直接。間接是競爭，直接是合做。進程同步的規則：（1）空閒讓進（2）忙則等待（3）有限等待（4）讓權等待

3.進程通訊

一般採用直接通訊方式，由源進程利用發送命令將消息掛到目標進程的消息隊列上，再由目標進程利用接收命令取出消息。此外還有共享存儲器和管道。

4.進程調度

高級調度，主要是做業調度，算法FCFS、SJF 高優先權

中級調度，將暫時不能運行的進程調度到外存上等待。

低級調度，進程調度，算法FCFS、SPF、時間片、多級反饋隊列

5.死鎖

條件：（1）互斥（2）請求與保持（3）不剝奪（4）環路等待

處理死鎖：預防、避免、檢測、解除

檢測主要使用銀行家算法。

1.4.2存儲器管理

存儲器管理的主要任務提供多道程序運行的環境，方便用戶使用，提升內存利用率和從邏輯上擴充內存，程序員可用內存遠大於實際內存，運行時使用請求段頁式分配內存，只需少許段便可運行。

程序裝入：絕對、可重定位和動態運行時。絕對須要熟悉內存使用狀況，可重定位目標模塊從0開始，裝入後重定位，不可移動。動態運行時可移動，目前主流。三者編譯都產生邏輯地址，絕對方式能夠指定物理地址，但不能運行多道程序。

1.內存分配

連續方式;單一連續分配、固定分區分配、動態分區分配、可重定位分區分配、對換

離散方式：基本分頁、基本分段、段頁式，請求分頁，請求分段，請求段頁式

如今主流操做系統使用的是段頁式也就是虛擬存儲器技術。

2.內存保護（硬件）

一種比較簡單的保護機制是設置兩個界限寄存器，訪問時檢查，由硬件實現。

3.地址映射

分頁是將進程的邏輯地址空間分紅若干大小相等的片，內存物理塊做一樣的劃分，分配內存時以頁爲單位。分段管理是將做業的地址空間劃分若干段，每段定義一組信息，方便編程和共享以及動態增加和連接。段頁式是二者的結合，先分段再分頁，請求式則是隻調入少許段運行，等到缺頁（段）時再調入。頁面置換算法：OPT、FIFO、LR、CLOCK、LFU PBA

分頁地址變換（硬件）：頁表的功能由一組專門寄存器實現，系統設置一個PTR，頁表常駐內存，當進程訪問某個邏輯地址時，分頁地址變換機構將有效地址分爲頁號和頁內地址，以頁號檢索頁表，當頁號大於頁表長度時越界中斷，不然將頁表始址與頁號和頁表項長度的乘積相加，獲得物理地址。分段與此相似，只不過段長不等，地址變換時兼顧段長與段內地址。

4內存擴充

（1）請求調入

（2）置換，將暫時不能運行的進程調換到外存上，外存一般分爲文件區和對換區。

1.4..3設備管理

設備管理用於管理外圍設備，完成I/O請求，分配設備，提升設備利用率。主要有緩衝管理、設備分配和設備處理，比較簡單，目前較多使用SPOOLing技術，設備的中斷由操做系統和硬件共同實現。I/O控制方式：程序I/O方式、中斷方式、DMA方式、I/O通道、I/O處理機。

1.4.4文件管理

文件管理的主要任務是對用戶文件和系統文件進行管理，方便用戶使用，保證文件安全性。

1.文件的邏輯結構

文件其它方面較爲簡單,，操做系統創建文件時會創建FCB，記錄文件必備信息，基本操做經過FCB進行。邏輯結構有兩種：（1）有結構文件，又稱記錄式文件，有順序、索引和索引順序三種（2）無結構文件，又稱流式文件。UINX系統中，全部文件都視爲流式，系統不進行格式處理。

此外還有直接文件和哈希文件。

2.外存分配

（1）連續分配

（2）連接分配：隱式和顯式

（3）索引分配：單級、多級和混合

混合索引分配在UNIX採用，分爲直接、一次間接和屢次間接地址。最大可支持4TB文件。

3.目錄結構

（1）單級目錄

（2）兩級目錄

（3）多級目錄 相對兩級而言，層次結構清晰，查詢速度更快，能有效的進行文件管理和保護。UNIX、Linux、Windows都採用了該結構。

4.文件存儲空間管理

（1）空閒表法，相似於連續分配方式，創建空閒表，記錄空間盤塊號

（2）空閒鏈表法

（3）位示圖法，利用二進制的一位表示空閒盤塊使用狀況

（4）成組連接法，UNIX經常使用，將空閒盤塊分紅組，每一組的盤塊總數記入前一組的空閒塊中，第一組計入空閒盤塊號棧中。

5 文件共享與保護

（1）基於索引結點

（2）利用符號連接

保護主要依靠ACL實現，此外有用戶的口令和密碼。

1.5 OS結構設計

1.5.1傳統的操做系統結構

1.無結構操做系統

早期的操做系統只注重功能的實現和得到高的效率，沒有一致的設計思想，內部結構混亂，能夠任意調用，調試困難且難以維護。

2.模塊化結構OS

該技術使用分解和模塊化來控制大型軟件的複雜度，按其功能劃分爲若干個具備必定獨立結構的模塊，並規定之間的接口。設計中每個決定必須創建在另外一個的基礎上，但各模塊設計並進，形成決定的衝突性。

3.分層式結構OS

每一步的設計都是可靠的，每一層僅能使用其底層所提供的功能和服務，可以使系統的調試和驗證變得更容易。但所以系統效率下降，增長許多沒必要要的開銷。

1.5.2微內核OS結構

微內核能有效的支持多處理機運行，適用於分佈式環境。當今流行的OS，幾乎所有采用了微內核結構，如Mach OS和Windows。

1.微內核的基本概念（1）足夠小的內核（2）基於客戶/服務器模式（3）應用機制與策略分離（4）採用面向對象技術

2.微內核的基本功能（1）進程（線程）管理2）低級存儲器管理3）中斷和陷入管理

3.微內核的優勢（1）提升可擴展性（2）加強可靠性（3）可移植性（4）提供對分佈式系統的支持5）融入面向對象技術

4.存在的問題：運行效率低下，完成一次服務請求須要屢次上下文切換。

後記：本文只是讓讀者對操做系統結構有個大體的概念，什麼功能該操做系統實現，不少細節考慮到篇幅都省略了。此外，操做系統與計算機體系結構（CPU設計）、計算機網絡、計算機組成原理有着密切的關係，如有志於改善操做系統的朋友能夠去了解，會對操做系統的設計有更深的理解。