第3章 操作系统基本原理
操作系统是计算机系统中最重要、最基本的系统软件，它位于硬件和用户之间，向用户提供接口，方便用户使用计算机；且能够管理计算机软硬件资源。从资源管理的角度来看，操作系统是计算机系统中的资源管理器，负责对系统的软硬件资源实施有效的控制和管理，提高系统资源的利用率；从方便用户使用的角度来看，操作系统是一台虚拟机，它是计算机硬件的首次可扩充，隐藏了硬件操作的细节，使用户与硬件细节隔离，从而方便了用户使用。
3.1 操作系统概述
操作系统：操作系统是控制和管理计算机软硬件资源 ，以尽可能合理、有效的方法组织多个用户共享多种资源的的程序集合。它具有：
1. 并发性
2. 共享性
3. 虚拟性
4. 不确定性
操作系统的主要功能
1） 处理机管理。负责对处理机的分配和运行实施有效的管理(以进程为单位)。处理机管理可归结为进程管理。
2） 存储器管理。主要任务是堆内存进行分配、保护和扩充。
3） 设备管理。具有设备分配、设备传输控制和设备独立性等功能。
<1> 设备分配是指根据一定的原则对设备进行分配，为了使设备与主机并行工作，常采用缓冲技术和虚拟现实技术。
<1> 设备传输控制是指实现物理的输入输出(Input/Output，I/O)操作，即启动设备、中断处理、结束处理等。
<1> 设备独立性是指用户向系统申请的设备与实际操作的设备无关。
4） 文件管理。负责对文件存储空间进行管理，包括存储空间的分配和回收，目录管理、文件操作管理和文件保护等功能。
5） 用户接口。是为了用户能够灵活、方便的使用计算机和系统功能。它包括两大类，分别是程序接口和操作接口。
3.1.1 操作系统的类型
一般来说，操作系统可分为单用户操作系统、批处理系统、分时系统、实时系统、网络操作系统、分布式操作系统、并行操作系统和嵌入式操作系统等。
1. 单用户操作系统
基本特征是在一台处理机上只能支持一个用户程序的运行，系统的全部资源都提供给该用户使用。目前多数微机运行的操作系统都属于单用户操作系统。
2. 批处理系统（也称作业处理系统）
在批处理系统中，作业成批的装入计算机中，由操作系统在计算机的输入井将其组织好，按一定的算法选择其中的一个或多个作业，将其调入内存并使其运行。把结果放入磁盘输出井，由计算机统一输出后交给用户。
批处理系统中配置了一个监督程序，在该监督程序控制下，系统能够对一批作业自动进行处理。其基本特征是“批量”，将作业的吞吐量作为主要目标，同时兼顾作业的周转时间。
批处理系统又分单道批处理系统和多道批处理系统。
单道批处理系统在内存中只能存放一道作业，大大减少了人工操作的时间，提高了机器的利用率。但是，对于某些作业来说，当它发出I/O请求后，中央处理单元(Central Processing Unit， CPU)必须等待I/O的完成，而由于I/O设备的低速性，从而使CPU的利用率很低。为了改善CUP的利用率，引入了多道程序设计技术，就形成了多道批处理操作系统。
多道批处理操作系统中，内存中可同时有多道作业在运行，且作业可随时被调入系统，并存放在外存中形成作业队列。多道批处理系统具有资源利用率高和系统吞吐量大的优点，但它将用户和计算机操作员分开，使用户无法直接与自己的作业进行交互。另外，作业需要进行排队，依次处理，因此，作业的平均周转时间较长。
3. 分时操作系统
分时操作系统是为了解决批处理系统的缺点（无法进行人机交互），并使多个用户能同时使用自己的终端以交互方式使用计算机，共享主机的资源，为此，系统采用了分时技术，把CPU的时间划分为很短的时间片，轮流地分配给各个终端作业使用。这种操作系统就被成为分时操作系统，简称为分时系统。
在规定时间片内，作业没有执行完毕，，也必须将CPU交给下一个作业使用，并等待下一轮时间片继续执行。这样，系统才能够及时的响应每一个用户的请求。分时系统具有多路性、独立性、及时性、交互性和同时性等特征。
4. 网络操作系统
是指在计算机网络环境下，具有网络功能的操作系统。网络操作系统最主要的特点是网络中各种资源的共享，以及各台计算机之间的通信。
5. 分布式操作系统
分布式系统是由多台计算机组成的系统，系统中若干台计算机可以相互和做，共同完成同一个任务。在分布式系统中，任意两台计算机之间都可以利用通信交换信息，系统中的资源为所有用户共享。分布式系统的优点是各节点的自制性好、资源共享的透明性强、各节点具有协同性，其主要缺点是系统状态不精确、控制机构复杂、通信开销会引起性能下降。
分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，他保持了网络操作系统所拥有的全部功能，与网络操作系统的主要区别在于任务的分布性，即把一个大人物分解为若干个子任务，并被分配到不同的CPU上执行。
6. 嵌入式操作系统
嵌入式操作系统运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个芯片和他所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制。嵌入式操作系统具有微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性等特点。
嵌入式实时操作系统是指系统能够及时响应外部事件的请求，在规定时间完成该事件的处理，控制所有史诗任务协调一致的运行。它的特点是及时性、支持多道程序设计、高可靠性和较强的过载防护能力。
3.1.2 操作系统的结构
从操作系统的结构来看，主要有整体结构、层次结构、客户/服务器结构和面向对象结构等。
1. 整体结构
整体结构也称为模块组合结构或无序结构，是基于结构化程序设计的一种软件设计方法，其主要设计思想和步骤如下：
1） 把模块作为操作系统的基本单位，按功能将系统分解为若干模块，每个模块具有独立功能，若干模块协作完成某个功能；明确各模块之间接口关系，各模块之间可以不加控制地自由调用（无序调用法）；模块之间传递参数或返回结果时，其个数和方式也可根据需要随意约定；
2） 分别设计、编码、调试各个模块。
3） 将所有模块连接成一个完整的系统。
主要优点：
1）结构紧密、组合方便，灵活性大。
2） 系统效率较高。
3） 能加快操作系统研制过程。
主要缺点：模块独立性差，模块之间牵连甚多，形成了复杂的调用关系，甚至有很多循环利用，造成系统结构不清晰，正确性难以保证，可靠性降低，系统功能的增、删、改十分困难。
2. 层次结构
层次结构将系统划分为内核和若干模块（或进程），模块按功能分层，各层之间只能是单向依赖或单项调用关系（底层为高层服务），使系统结构清晰不构成循环调用。层次结构有全序和半序之分。每层中各模块之间保持独立，互相没有联系，这种层次结构就称为全序；如果某些层内支架你允许有相互调用或通信的关系，则这种层次结构就称为半序；
在层次结构中，外层功能是内层功能的扩充或延伸，内层功能为外层提供了支撑和基础。因此，整个系统的接口少且简单。整个系统的正确性和通过各层的正确性来保证，从而使系统的正确性大大提高。层次结构的另一个优点是增加、修改或替换一个层次不会影响其他层次，有利于系统的维护和扩展。层次结构的劣势是花费在通信上的开销较大，系统效率有所降低。
3. 客户/服务器结构
现代操作系统大多有两种工作状态（核心态和用户态）。一般应用程序工作在用户态，内核模块和操作系统核心在核心态。