操做系統基礎

複習點：

　　一、RAID：磁盤陣列(Redundant Arrays of Independent Disks，RAID)，有"獨立磁盤構成的具備冗餘能力的陣列"之意。磁盤陣列是由不少價格較便宜的磁盤，組合成一個容量巨大的磁盤組，利用個別磁盤提供數據所產生加成效果提高整個磁盤系統效能。利用這項技術，將數據切割成許多區段，分別存放在各個硬盤上。磁盤陣列還能利用同位檢查(Parity Check)的觀念，在數組中任意一個硬盤故障時，仍可讀出數據，在數據重構時，將數據經計算後從新置入新硬盤中。

　　RAID級別分類：

　　Raid1 硬盤數:最少兩塊 優勢:防止單點故障 備份 缺點:速度沒有提高

　　Raid0 硬盤數:最少兩塊 優勢:速度快 缺點:壞任何一塊盤,數據就不完整

　　Raid5 硬盤數:最少3塊 優勢:速度比raid1快,比raid0慢 缺點:硬盤數量多,價格貴

　　Raid10 硬盤數:最少4塊 優勢:速度快，而且穩定 缺點：貴

　　二、分佈式存儲系統，是將數據分散存儲在多臺獨立的設備上。傳統的網絡存儲系統採用集中的存儲服務器存放全部數據，存儲服務器成爲系統性能的瓶頸，也是可靠性和安全性的焦點，不能知足大規模存儲應用的須要。分佈式網絡存儲系統採用可擴展的系統結構，利用多臺存儲服務器分擔存儲負荷，利用位置服務器定位存儲信息，它不但提升了系統的可靠性、可用性和存取效率，還易於擴展。

　　三、扇區：512bytes，是磁盤最小讀寫單位

操做系統級別：8*512bytes，最小的讀寫單位是block

　　四、存儲：文件存儲 讀寫單位：文件，特色：直接對件您行修改操做

　　　　　　  塊存儲（裸盤 格式化 文件系統） 讀寫單位：block塊 特色：必須格式化，製做文件系統才能使用

　　　　　　  對象存儲（網盤）：讀寫單位：網址 特色：不能直接對文件進行操做

　　五、硬盤→硬盤控制器→硬盤驅動→操做系統→文件→用戶

1、爲什麼要有操做系統

　　這個問題讓我想起來以前好多人修電腦的方法就是電腦硬件沒有問題，那就重裝系統，重裝系統就能夠正常使用了。操做系統也是軟件，它的做用就是管理和操做計算機的全部硬件，提供給用戶一個可操做的方法。若是不要這個操做系統，程序員想控制計算機進行操做，哪程序員要寫一整套計算機可認知的程序，讓硬件按照程序員的意圖進行工做，這就須要程序員瞭解全部硬件的工做原理和寫出大量的代碼。每一個程序員都要這樣進行操做的話，效率也就十分低下，也應該沒有多少人能完成這樣的工做。全部就須要有操做系統來作這個管理硬件並優化的過程，讓程序員在操做系統上寫本身的應用程序就能夠了。

2、操做系統的位置

       操做系統就是一個協調、管理和控制計算機硬件資源和軟件資源的控制程序。

　　操做系統位於計算機硬件與應用軟件之間，本質也是一個軟件。操做系統由操做系統的內核（運行於內核態，管理硬件資源）以及系統調用（運行於用戶態，爲應用程序員寫的應用程序提供系統調用接口）兩部分組成。因此單純的說操做系統是運行於內核態的是不許確的。

3、操做系統的功能

       操做系統有兩部分的功能：

       一、隱藏了醜陋的硬件調用接口，爲應用程序員提供調用硬件資源的更好，更簡單，更清晰的模型（系統調用接口）。也能夠說屏蔽了硬件物理特性和操做細節，爲用戶使用計算機提供了便利指令系統（成千上萬條機器指令，它們的執行由微程序的指令解釋系統實現的）。程序員有了這些接口後，就不用再考慮操做硬件的細節，專心開發本身的應用程序便可。

       二、將應用程序對硬件資源的競態請求變得有序化。有效管理系統資源，提升系統資源使用效率。所用的應用程序都共享一臺計算機的硬件資源，當多個應用軟件同時請求使用一個硬件時，操做系統會判斷哪一個應用程序先使用，另外一個後使用。這就使得使用過程變得有序，而不是混亂的。

4、操做系統的發展

       操做系統並非與計算機硬件一塊兒誕生的，它是在人們使用計算機的過程當中，爲了知足兩大需求：提升資源利用率、加強計算機系統性能，伴隨着計算機技術自己及其應用的日益發展，而逐步地造成和完善起來的。

       一、手工操做（無操做系統）

       1946年第一臺計算機誕生--20世紀50年代中期，還未出現操做系統，計算機工做採用手工操做方式。程序員將對應於程序和數據的已穿孔的紙帶（或卡片）裝入輸入機，而後啓動輸入機把程序和數據輸入計算機內存，接着經過控制檯開關啓動程序針對數據運行；計算完畢，打印機輸出計算結果；用戶取走結果並卸下紙帶（或卡片）後，才讓下一個用戶上機。

       手工操做方式兩個特色：

　　（1）用戶獨佔全機。不會出現因資源已被其餘用戶佔用而等待的現象，但資源的利用率低。

　　（2）CPU 等待手工操做。CPU的利用不充分。

　　二、批處理系統

　　批處理系統：加載在計算機上的一個系統軟件，在它的控制下，計算機可以自動地、成批地處理一個或多個用戶的做業（這做業包括程序、數據和命令）。

　　聯機批處理系統：首先出現的是聯機批處理系統，即做業的輸入/輸出由CPU來處理。主機與輸入機之間增長一個存儲設備——磁帶，在運行於主機上的監督程序的自動控制下，計算機可自動完成：成批地把輸入機上的用戶做業讀入磁帶，依次把磁帶上的用戶做業讀入主機內存並執行並把計算結果向輸出機輸出。完成了上一批做業後，監督程序又從輸入機上輸入另外一批做業，保存在磁帶上，並按上述步驟重複處理。

　　監督程序不停地處理各個做業，從而實現了做業到做業的自動轉接，減小了做業創建時間和手工操做時間，有效克服了人機矛盾，提升了計算機的利用率。

　　可是，在做業輸入和結果輸出時，主機的高速CPU仍處於空閒狀態，等待慢速的輸入/輸出設備完成工做： 主機處於「忙等」狀態。

　　脫機批處理系統：爲克服與緩解：高速主機與慢速外設的矛盾，提升CPU的利用率，又引入了脫機批處理系統，即輸入/輸出脫離主機控制。

　　這種方式的顯著特徵是：增長一臺不與主機直接相連而專門用於與輸入/輸出設備打交道的衛星機。

　　其功能是：

　　（1）從輸入機上讀取用戶做業並放到輸入磁帶上。

　　（2）從輸出磁帶上讀取執行結果並傳給輸出機。

　　這樣，主機不是直接與慢速的輸入/輸出設備打交道，而是與速度相對較快的磁帶機發生關係，有效緩解了主機與設備的矛盾。主機與衛星機可並行工做，兩者分工明確，能夠充分發揮主機的高速計算能力。

      三、多道程序系統

      多道程序設計技術

　　所謂多道程序設計技術，就是指容許多個程序同時進入內存並運行。即同時把多個程序放入內存，並容許它們交替在CPU中運行，它們共享系統中的各類硬、軟件資源。當一道程序因I/O請求而暫停運行時，CPU便當即轉去運行另外一道程序。

　　單道程序的運行過程：

　　在A程序計算時，I/O空閒， A程序I/O操做時，CPU空閒（B程序也是一樣）；必須A工做完成後，B才能進入內存中開始工做，二者是串行的，所有完成共需時間=T1+T2。

　　

　　多道程序的運行過程：

　　將A、B兩道程序同時存放在內存中，它們在系統的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上運行：當A程序因請求I/O操做而放棄CPU時，B程序就可佔用CPU運行，這樣 CPU再也不空閒，而正進行A I/O操做的I/O設備也不空閒，顯然，CPU和I/O設備都處於「忙」狀態，大大提升了資源的利用率，從而也提升了系統的效率，A、B所有完成所需時間<<T1+T2。

       多道程序設計技術不只使CPU獲得充分利用，同時改善I/O設備和內存的利用率，從而提升了整個系統的資源利用率和系統吞吐量（單位時間內處理做業（程序）的個數），最終提升了整個系統的效率。

　　單處理機系統中多道程序運行時的特色：

　　（1）多道：計算機內存中同時存放幾道相互獨立的程序；

　　（2）宏觀上並行：同時進入系統的幾道程序都處於運行過程當中，即它們前後開始了各自的運行，但都未運行完畢；

　　（3）微觀上串行：實際上，各道程序輪流地用CPU，並交替運行。

       四、分時系統

       因爲CPU速度不斷提升和採用分時技術，一臺計算機可同時鏈接多個用戶終端，而每一個用戶可在本身的終端上聯機使用計算機，好像本身獨佔機器同樣。

分時技術：把處理機的運行時間分紅很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各聯機做業使用。

　　具備上述特徵的計算機系統稱爲分時系統，它容許多個用戶同時聯機使用計算機。

　　特色：

　　（1）多路性。若干個用戶同時使用一臺計算機。微觀上看是各用戶輪流使用計算機；宏觀上看是各用戶並行工做。

　　（2）交互性。用戶可根據系統對請求的響應結果，進一步向系統提出新的請求。這種能使用戶與系統進行人機對話的工做方式，明顯地有別於批處理系統，於是，分時系統又被稱爲交互式系統。

　　（3）獨立性。用戶之間能夠相互獨立操做，互不干擾。系統保證各用戶程序運行的完整性，不會發生相互混淆或破壞現象。

　　（4）及時性。系統可對用戶的輸入及時做出響應。分時系統性能的主要指標之一是響應時間，它是指：從終端發出命令到系統予以應答所需的時間。

分時系統的主要目標：對用戶響應的及時性，即不至於用戶等待每個命令的處理時間過長。

　　五、計算機的發展

　　第一代計算機（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

　　第二代計算機（1955~1965）：晶體管和批處理系統

　　第三代計算機（1965~1980）：集成電路芯片和多道

　　第四代計算機（1980~至今）：我的計算機

5、多道技術

　　多道技術是在計算機內存中同時存放幾道相互獨立的程序，使它們在管理程序控制之下，相互穿插的運行。兩個或兩個以上程序在計算機系統中同處於開始到結束之間的狀態。多道程序技術運行的特徵：多道、宏觀上並行、微觀上串行。多道技術要實現時間上的複用和空間上的複用。

　　空間上的複用：將內存分爲幾部分，每一個部分放入一個程序，這樣，同一時間內存中就有了多道程序。空間上的複用最大的問題是：程序直接的內存必須分割，這種分割在硬件層面實現，由操做系統控制實現。內存上不分割會形成安全性和穩定性的喪失。

　　時間上的複用：當一個程序在等待I/O時，另外一個程序可使用CPU，若是內存中能夠同時存放足夠多的做業，則CPU的利用率能夠接近100%。