大工20春《操作系统概论》辅导资料二
《操作系统概论》辅导资料二主 题：第一章操作系统概述（第3—4节）学习时间：2020年4月6日--4月12日
“不忘初心、牢记使命”主题理论学习：
守初心，就是要牢记全心全意为人民服务的根本宗旨，以坚定的理想信念坚守初心，牢记人民对美好生活的向往就是我们的奋斗目标；以真挚的人民情怀滋养内心，时刻不忘我们党来自人民、根植人民，人民群众的支持和拥护是我们胜利前进的不竭力量源泉；以牢固的公仆意识践行初心，永远铭记人民是共产党的衣食父母，共产党人是人民的勤务员，永远不能脱离群众、轻视群众、漠视群众疾苦。
摘选自《在“不忘初心、牢记使命”主题教育工作会议上的讲话》
内 容：
第一章引论
这周我们将学习课件第一章中的第3—4节，下面整理出的理念框架供同学们学习。
本篇的基本要求：
1．了解操作系统的历史发展
2．了解操作系统的逻辑结构
3. 了解操作系统的运行模式
重点掌握内容：
1.操作系统的特征
2.操作系统的逻辑结构1.3操作系统基本特征
不同类型的操作系统有自己独特的特征，但它们都具有并发、共享、虚拟以及异步等共同特征。
1 并发
并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。
2 共享
在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式。
（1）互斥共享方式
（2）同时访问方式
（1） 互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。为此，当一个进程A要访问某资源时，必须先提出请求， 如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程A使用， 此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)则必须等待。仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。 计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。
（2） 同时访问方式
系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件，也可以被“同时”共享，即若干个用户同时访问该文件。
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理， 协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。 3异步
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行， 但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它某进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。
内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成； 而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统的一个重要特征。
4 虚拟
操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的， 即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。
在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时， 虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。亦即， 利用多道程序设计技术，把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的CPU称为虚拟处理器。1.4操作系统的逻辑结构和运行模型
操作系统逻辑上可以划分为内核和核外程序两部分。
核外程序主要是一些支撑程序和实用程序，完成与硬件无关功能。
操作系统内核是最紧挨着计算机硬件的一组程序模块，提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，并具有访问硬件设备和所有内存空间的权限。
操作系统内核运行在核心态，是唯一能执行特权指令的程序 。
1．操作系统的逻辑结构
（1）单内核结构
单内核结构即内核在结构上可以看成一个整体，虽然有些内核的内部又划分成若干模块或层次，但系统运行时，内核形成一个整体的二进制大映像。单内核结构中，模块间的交互通过直接调用相应模块中的函数来实现，而不是通过消息传递，所有模块都在相同的内核空间中运行，内核代码是高度集成的。单内核结构的优点是效率较高。（下图为esx的单内核结构）
/ 单内核操作系统又可以划分为以下两种基本结构：
①整体模块结构
②分层式结构 （2）微内核结构
操作系统仅将系统的一些核心功能放入内核，因此称为微内核，而其他功能都在内核之外，由在用户态运行的服务器（进程）实现。
设计思想：操作系统分成两部分。一部分是运行在核心态的微型内核，它提供系统最基本的功能，只完成极少的核心态任务，如进程管理和调度、内存管理、消息传递和设备驱动等，内核构成了操作系统的基本部分。另一部分是一组服务器进程，它们运行在用户态，并以客户——服务器方式提供服务，例如文件管理服务、进程管理服务、存储管理服务、网络通信服务等，操作系统的绝大部分功能由这组服务器进程提供。在微内核结构中，客户与服务器进程之间采用消息传递机制进行通信，通信过程借助内核实现。即，由内核接收来自客户的请求，再将该请求传送至相应的服务器进程；同时，内核也接收来自服务器进程的应答，并将此应答回送给请求用户。
/
2．操作系统的运行模型
操作系统本身是一组程序，这组程序按照什么方式运行称为操作系统的运行模型。操作系统有以下三种运行模型：
（1）独立运行的内核模型
操作系统有自己独立的存储空间，有独立的运行环境，其执行过程不与应用程序（进程）发生关联。若操作系统具有这种运行模型，则当用户进程被中断或发出系统调用时，被中断进程的现场被保存到该进程的运行现场区，内核接收控制权并开始执行，且内核程序总是运行在自己的核心栈上。
在这种模型下，操作系统作为一个独立实体在内核模式下运行，因而内核程序要并发执行很困难，进程概念只适合应用程序。独立运行的内核模型出现在早期的操作系统中。
（2）嵌入应用进程中执行的模型
为了提高内核程序的并发性，操作系统在创建应用进程时，同时为它分配了一个核心栈，该核心栈用来运行内核程序，以形成操作系统程序嵌入应用程序内执行的方式。若操作系统具有这种运行模型，则当用户进程发出系统调用或遭遇中断时，处理机转到核心态下运行，控制转移给操作系统，用户进程的现场被保护，并启用刚被中断进程的核心栈作为内核程序执行过程调用的工作栈。需注意的是，整个过程中只发生了处理机的状态转变（从用户态转变为核心态），进程的现场切换并没有发生，即认为内核程序嵌入在在当前用户进程中执行。
（3）作为独立进程运行的模型
操作系统的小部分核心功能（进程切换和通信、底层存储管理、中断处理等）仍然在核心态下运行，而操作系统的大部分功能由一组独立的服务器进程提供，这组服务器进程运行在用户态。
重要考点
一、选择题
1、操作系统不是必须具备的功能是（）。
A、主存储器管理
B、邮件收发软件
C、中断处理
D、进程调度
答案：B
解析：B选项可以选择没有，但是其他三项必须存在2、在操作系统中，并发性是指（）。
A、若干个事件在同一时刻发生
B、事件的发生事件随机
C、若干个事件在同一时间间隔内发生
D、事件驱动
答： C
注：注意区分并发和并行的区别，A选项是并行的概念3、下列资源一般不由操作系统直接管理的是（）。
A、内存
B、打印机
C、CPU
D、应用程序的变量
答：D
注：根据题意，不是直接管理的，D选项是应用软件的管辖范围二、名词解释
1.并行性：是指两个或多个事件在同一时刻发生。
2.并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
3.共享：是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。
4.操作系统内核：是最紧挨着计算机硬件的一组程序模块，提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，并具有访问硬件设备和所有内存空间的权限。
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