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　　第一章 操作系統(tǒng)概述

　　隨著計算機(jī)的發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源越來越豐富。為了提高這些資源的利用率和增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力，出現(xiàn)了相應(yīng)的操作管理程序，作為用戶與計算機(jī)之間的接口。操作系統(tǒng)(Operating System，OS)是計算機(jī)系統(tǒng)中最重要、最基本的系統(tǒng)軟件，位于硬件和用戶之間。一方面，它能向用戶提供接口，方便用戶使用計算機(jī);另一方面，它能管理計算機(jī)軟、硬件資源，以便合理充分地利用它們。根據(jù)考試大綱要求，本章要求考生掌握以下知識點(diǎn)：

　　(1)操作系統(tǒng)的概念、特征、功能和提供的服務(wù);

　　(2)操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類;

　　(3)操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。

　　1.1 操作系統(tǒng)的基本概念

　　操作系統(tǒng)的出現(xiàn)、使用和發(fā)展是近四十余年來計算機(jī)軟件的一個重大進(jìn)步，它的出現(xiàn)為人們使用各種各樣的計算機(jī)奠定了重要基礎(chǔ)。

　　1.1.1 操作系統(tǒng)概念

　　計算機(jī)發(fā)展到今天，從個人機(jī)到巨型機(jī)，無一例外都配置一種或多種操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)不可分割的重要組成部分，它為人們建立各種各樣的應(yīng)用環(huán)境奠定了重要基礎(chǔ)。計算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個組成部分。硬件是所有軟件運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件能充分發(fā)揮硬件潛能和擴(kuò)充硬件功能，完成各種系統(tǒng)及應(yīng)用任務(wù)，兩者互相促進(jìn)、相輔相成、缺一不可。圖1-1給出了一個計算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件層次結(jié)構(gòu)。

　　硬件層提供了基本的可計算性資源，包括處理器、寄存器、存儲器，以及各種I/O設(shè)施和設(shè)備，是操作系統(tǒng)和上層軟件賴以工作的基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)層通常是最靠近硬件的軟件層，對計算機(jī)硬件作首次擴(kuò)充和改造，主要完成資源的調(diào)度和分配、信息的存取和保護(hù)、并發(fā)活動的協(xié)調(diào)和控制等許多工作。操作系統(tǒng)是上層其他軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，為編譯程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等系統(tǒng)程序的設(shè)計者提供了有力支撐。系統(tǒng)程序?qū)拥墓ぷ骰�礎(chǔ)建立在操作系統(tǒng)改造和擴(kuò)充過的機(jī)器上，利用操作系統(tǒng)提供的擴(kuò)展指令集，可以較為容易地實(shí)現(xiàn)各種各樣的語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)程序。此外，還提供種類繁多的實(shí)用程序，如連接裝配程序、庫管理程序、診斷排錯程序、分類/合并程序等供用戶使用。應(yīng)用程序?qū)咏鉀Q用戶特定的或不同應(yīng)用需要的問題，應(yīng)用程序開發(fā)者借助于程序設(shè)計語言來表達(dá)應(yīng)用問題，開發(fā)各種應(yīng)用程序，既快捷又方便。而最終用戶則通過應(yīng)用程序與計算機(jī)系統(tǒng)交互來解決他的應(yīng)用問題。

圖1-1 計算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件層次結(jié)構(gòu)

　　計算機(jī)系統(tǒng)由硬件、軟件和數(shù)據(jù)組成。在計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行中，操作系統(tǒng)提供了利用這些資源的合理途徑。操作系統(tǒng)與政府十分相似。像一個政府，其本身并不能做什么。操作系統(tǒng)僅僅提供了一個環(huán)境，其他程序可以在此做有用的工作。我們可以從兩個視角來研究操作系統(tǒng)：資源視角和用戶視角。

　　從資源管理的角度來看，操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中的資源管理器，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的硬、軟件資源實(shí)施有效的控制和管理，提高系統(tǒng)資源的利用率。

　　從方便用戶使用的角度看，操作系統(tǒng)是一臺虛擬機(jī)，是對計算機(jī)硬件的首次擴(kuò)充，隱藏了硬件操作細(xì)節(jié)，使用戶與硬件細(xì)節(jié)隔離，從而方便用戶使用。

　　盡管操作系統(tǒng)尚未有一個嚴(yán)格的定義，但一般認(rèn)為：

　　操作系統(tǒng)是控制和管理計算機(jī)軟、硬件資源，以盡量合理有效的方法組織多個用戶共享多種資源的程序集合。

　　1.1.2 操作系統(tǒng)特征

　　一般操作系統(tǒng)具有以下4個基本特征。

　　1.并發(fā)性

　　并發(fā)性(Concurrence)是指兩個或兩個以上的事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。系統(tǒng)內(nèi)部具有并發(fā)機(jī)制，能協(xié)調(diào)多個終端用戶同時使用計算機(jī)和資源，能控制多道程序同時運(yùn)行。

　　在多處理器系統(tǒng)中，程序的并發(fā)性不僅體現(xiàn)在宏觀上，而且體現(xiàn)在微觀上(即在多個CPU 上)也是并發(fā)的，又稱并行的。并行性(Parallelism)是指兩個或兩個以上事件或活動在同一時刻發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并行性使多個程序同一時刻可在不同的CPU上同時執(zhí)行。而在分布式系統(tǒng)中，多臺計算機(jī)的并存使程序的并發(fā)性得到了更充分的發(fā)揮。但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一個時刻CPU僅能執(zhí)行一道程序，故微觀上這些程序是在交替運(yùn)行的。

　　可見并行性是并發(fā)性的特例，而并發(fā)性是并行性的擴(kuò)展。

　　2.共享性

　　共享性是操作系統(tǒng)的另一個重要特性。共享是指操作系統(tǒng)中的資源(包括硬件資源和軟件資源)可被多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用，而不是被一個進(jìn)程所獨(dú)占。共享的方式可以分成兩種：

　　第一種是互斥訪問。系統(tǒng)中的某些資源如打印機(jī)、磁帶機(jī)、卡片機(jī)，雖然它們可提供給多個進(jìn)程使用，但在同一時間內(nèi)卻只允許一個進(jìn)程訪問這些資源，即要求互相排斥地使用這些資源。當(dāng)一個進(jìn)程還在使用該資源時，其他欲訪問該資源的進(jìn)程必須等待，僅當(dāng)該進(jìn)程訪問完畢并釋放資源后，才允許另一進(jìn)程對該資源訪問;

　　第二種是同時訪問。系統(tǒng)中還有許多資源，允許同一時間內(nèi)多個進(jìn)程對它們進(jìn)行訪問，這里“同時”是宏觀上的說法。典型的可供多進(jìn)程同時訪問的資源是磁盤，可重入程序也可被同時訪問。

　　與共享性有關(guān)的問題是資源分配、信息保護(hù)、存取控制等，必須要妥善解決好這些問題。

　　并發(fā)性和共享性相輔相成，是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征，兩者之間互為存在條件。一方面，資源的共享是以程序的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序的并發(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(shí)施有效的管理，也必然影響到程序的并發(fā)執(zhí)行，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。

　　3.虛擬性

　　虛擬性是指操作系統(tǒng)中的一種管理技術(shù)，它把一個物理上的實(shí)體映射為若干個邏輯上的對應(yīng)物。前者是實(shí)際存在的，后者是虛幻的，只是用戶的一種感覺。采用虛擬技術(shù)的目的是為用戶提供易于使用、方便高效的操作環(huán)境。例如，Spooling技術(shù)可把物理上的一臺獨(dú)占設(shè)備變成邏輯上的多臺虛擬設(shè)備;窗口技術(shù)可把一個物理屏幕變成邏輯上的多個虛擬屏幕;IBM的VM技術(shù)把物理上的一臺計算機(jī)變成邏輯上的多臺計算機(jī)。虛擬存儲器則是把物理上的多個存儲器(主存和輔存)變成邏輯上的一個存儲器(虛存)。

　　4.不確定性

　　在操作系統(tǒng)中，由于運(yùn)行環(huán)境的影響，程序的運(yùn)行時間、運(yùn)行順序及同一程序或數(shù)據(jù)的多次運(yùn)行結(jié)果等均具有不確定性。不確定性有兩種含義：程序執(zhí)行結(jié)果是不確定的，即對同一程序，使用相同的輸入，在相同的環(huán)境下運(yùn)行，卻可能獲得完全不同的結(jié)果，即程序是不可再現(xiàn)的。多道程序環(huán)境下，程序的執(zhí)行是以異步方式進(jìn)行的。換言之，每個程序在何時執(zhí)行、多個程序間的執(zhí)行順序，以及完成每道程序所需的時間都是不確定的，因而也是不可預(yù)知的。例如，作業(yè)到達(dá)系統(tǒng)的類型和時間是不確定的;操作員發(fā)出命令或按按鈕的時刻是不確定的;程序運(yùn)行發(fā)生錯誤或異常的時刻是不確定的;各種各樣硬件和軟件中斷事件發(fā)生的時刻是不確定的，等等。