[中文] Operating Systems Notes: 01 - 操作系统概述

1. 操作系统是什么？#

1.1 操作系统的定义#

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合：

• 资源的管理者：能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源
• 服务的提供者：合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能
• 机器能力的扩展：使得用户能够灵活、方便地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行

1.2 操作系统的作用#

• 虚拟机：将物理资源(处理器、内存、磁盘)转换成更通用、更强大、更易用的虚拟形式
• APIs：提供可供用户调用的接口，提供应用程序的标准库
• 资源管理器：允许多程序运行(共享CPU)，允许多程序并发访问内存，允许多程序访问设备

1.3 设计与实现目标#

• 抽象
  • 模块化
  • 使用高级语言(C)而非汇编
• 性能(最小化开销)
  • 最小化额外的时间(指令)
  • 最小化额外的空间(内存/磁盘)
• 保护：应用之间、操作系统与应用之间的隔离
• 可靠性
• 节能
• 安全性：防止恶意应用的入侵
• 移动性：能够运行在越来越小的设备上

2. 从不同角度认知操作系统#

2.1 资源管理的观点#

• 自底向上 操作系统是资源的管理者
• 硬件资源：CPU，内存，设备(I/O设备、磁盘、时钟、网络接口等)
• 软件资源：磁盘上的文件、信息
• 资源管理目的：实现资源共享、提高资源利用率
• 复用方式：时间及空间

怎样管理资源？

• 数据结构与算法
  • 跟踪记录资源使用状况
  • 分配和回收资源(资源分配策略与算法)
    • 静态分配策略
    • 动态分配策略 ✓
• 资源管理目标
  • 提高资源利用率
  • 资源使用时的保护
  • 协调多个进程对资源请求的冲突

2.2 进程的观点#

从操作系统运行的角度动态观察操作系统：

• 操作系统是由一些可同时、独立运行的进程和一个对这些进程进行协调的核心组成
• 进程：完成某一特定功能的程序，是程序的一次执行过程，动态的、有生命的，有诞生/消亡

2.3 虚机器观点#

从操作系统内部结构来看：

• 把操作系统分成若干层
• 每一层完成其特定功能，构成一个虚机器，并对上一层提供支持
• 通过逐层功能扩充，最终完成整个操作系统虚机器
• 操作系统虚机器向用户提供各种功能，完成用户请求

3. 操作系统的特征#

3.1 并发(concurrency)#

• 处理多个同时性活动的能力
• 计算机系统中同时运行多个程序
• 宏观上：这些程序同时在执行
• 微观上：单CPU情况下，任何时刻只有一个程序在执行，即这些程序在CPU上轮流执行
• 由并发引起的问题：活动切换、保护、相互依赖的活动间的同步
• **并行(parallel)**与”并发”的区别

3.2 共享(sharing)#

操作系统与多个用户程序共同使用计算机系统中的资源

• 共享有限的系统资源
• 操作系统要对系统资源进行合理分配和使用
• 资源在一个时间段内交替被多个进程所用
  • 互斥共享(如打印机)
  • 同时共享(访问)(如可重入代码，磁盘文件)
• 由于共享引发的问题：资源分配难以达到最优化，资源使用时需要保护

3.3 虚拟(Virtual)#

• 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体(分时或分空间)
• 虚拟技术是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率
  • CPU：每个用户(进程)的”虚处理器”
  • 存储器：每个进程都占有的地址空间(代码＋数据＋堆、栈)
  • 显示设备：多窗口或虚拟终端

3.4 随机性(不确定性)#

• 操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应
• 进程的运行速度不可预知：多个进程并发执行，“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢
• 难以重现系统在某个时刻的状态(包括重现运行中的错误)

4. 操作系统发展历史#

技术变化与概念重用#

技术变化导致某些思想过时并迅速消失，但技术的另一种变化还可能使它们复活。例如：

• 磁盘上文件分配—连续文件(CD-ROM文件系统)
• 硬件保护
• 动态链接(MULTICS首先提出)
• 计算服务(MULTICS，以大量的、附有相对简单用户机器的、集中式Internet服务器形式回归) → 云计算

4.1 操作系统发展阶段#

第1阶段(1948-1970)：硬件昂贵，人工便宜#

• 控制台：一次一个用户(独占资源)
• 批处理：装入程序 → 运行 → 打印输出结果(无保护)
• 多道程序设计：多个程序同时运行，多个用户共享系统(需要存储保护)
• SPOOLing技术：批处理作业处理流程

第2阶段(1970-1985)：硬件便宜，人工昂贵#

• 交互、分时：多个用户同时与系统交互
• 用户可以在线工作：开发、调试、编辑等
• 问题：增加用户时 → 系统性能降低(响应时间、抖动)

第一个分时操作系统CTSS：

• 1959年在MIT提出分时系统思想
• 每个用户有一个联机终端
• 计算机能够为许多用户提供交互式、快速服务，同时在CPU空闲时还能在后台运行大作业

重要历史事件：

• OS/360：IBM发布时带着已知的1000个错误
• Multics：1963年开始，1969年才发布
• UNIX：一群计算机迷在贝尔实验室开发，初衷是在DEC PDP-7小型计算机上玩星际探险游戏

第3阶段(1981-)：硬件非常便宜，人工非常昂贵#

• 个人计算时代
• 开始PC硬件资源有限，一次运行一个程序，OS是一个例程库，回归简单
• 逐渐PC资源丰富，OS又成为一个庞然大物(大型OS)，存储保护、多道程序设计再次出现

第4阶段(1981-)：分布式#

• 网络：允许不同机器很容易地相互共享资源(打印机、文件服务器、Web服务器)
• 解决问题：共享，安全

第5阶段(1995-)：移动计算时代#

• 各种移动终端的出现(笔记本、平板、手机、机顶盒、可穿戴设备等)
• 特点：小型、移动、便宜，但能力有限

第6阶段(2006-)：云计算时代#

• 提供可无限扩展的、可随时获取的、按需使用、按使用付费的资源
• 云计算操作系统：云计算后台数据中心的整体管理运营系统
• 作用：
  • 管理和驱动海量服务器、存储等基础硬件
  • 为云应用软件提供统一、标准的接口
  • 管理海量的计算任务以及资源调配

第7阶段(200?-)：泛在计算/普适计算/物联网#

• 许多联网设备为许多人提供个性化的服务

5. 操作系统分类#

5.1 传统分类#

1. 批处理操作系统#

• 批：供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成

• 工作方式：

  1. 用户将作业交给系统操作员
  2. 系统操作员将许多用户的作业组成一批作业，输入到计算机系统中
  3. 系统操作员启动操作系统
  4. 系统自动、依次执行每个作业
  5. 由系统操作员将作业结果交给用户

• 典型的作业结构：由一张张卡片组成，卡片上是命令和程序

• 分类：

  • 单道批处理系统(simple batch processing, uni-programming)
  • 多道批处理系统(multiprogramming system)

SPOOLing系统(技术)

• 1961年，英国曼彻斯特大学，Atalas机
• Simultaneous Peripheral Operation On-Line(同时的外围设备联机操作)—假脱机技术
• 思想：利用磁盘作缓冲，将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流，使I/O和计算真正并行
• 工作原理
  • 作业进入到磁盘上的输入井
  • 按某种调度策略选择几种搭配得当的作业，并调入内存
  • 作业运行的结果输出到磁盘上的输出井
  • 结果从磁盘上的输出井送到打印机
• 主要特点：
  • 提高I/O速度
  • 将独占设备改造为共享设备
  • 实现虚拟设备功能

2. 分时操作系统(time-sharing system)#

• 时间片(time slice)：操作系统将CPU的时间划分成若干个片段
• 操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务, 每次服务一个时间片 (其特点是利用人的错觉，使人感觉不到)
• 追求目标：及时响应(依据是响应时间)
• 响应时间：从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间

3. 实时操作系统#

• 使计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的严格时间内完成对该事件的处理
• 分类：
  • 实时过程控制：工业控制，军事控制
  • 实时通信(信息)处理：电讯(自动交换)，银行，飞机订票，股市行情
• 追求目标：对外部请求在严格时间范围内作出反应，高可靠性
• 特征：关键参数是时间
• 类型：
  • 硬实时系统：某个动作绝对必须在规定的时刻或时间范围完成
  • 软实时系统：接受偶尔违反最终时限

4. 个人计算机操作系统#

• 计算机在某一时间内为单用户服务
• 追求目标：界面友好，使用方便，丰富的应用软件

5. 网络操作系统#

• 基于计算机网络，在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件
• 功能：网络管理，通信，安全，资源共享和各种网络应用
• 追求目标：相互通信，资源共享

6. 分布式操作系统#

• 分布式系统：处理和控制的分散(相对于集中式系统)
• 以计算机网络为基础，基本特征是处理的分布(功能和任务的分布)
• 所有系统任务可在系统中任何处理机上运行，自动实现全系统范围内的任务分配
• 特征：
  1. 是一个统一的操作系统
  2. 资源进一步共享
  3. 透明性: 资源共享，分布对用户来讲是不知道的
  4. 自治性: 处于分布式系统的多个主机处于平等地位，无主从关系
  5. 处理能力增强、速度更快、可靠性增强

7. 嵌入式操作系统#

• 嵌入式系统：在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统
• 嵌入式操作系统：运行在嵌入式系统环境中，对整个嵌入式系统及其所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件

5.2 Tanenbaum分类#

• 大型机操作系统
• 服务器操作系统
• 多处理机操作系统
• 个人计算机操作系统
• 掌上计算机操作系统(移动计算机操作系统)
• 嵌入式操作系统
• 传感器节点操作系统
• 实时操作系统
• 智能卡操作系统

智能卡操作系统#

• 智能卡：一种包含有一块CPU芯片的信用卡
• 特点：
  • 非常严格的运行能耗和存储空间的限制
  • 有些智能卡只有单项功能，如电子支付
• 专用的操作系统：
  • 有些智能卡是面向Java的，ROM中有Java虚拟机解释器
  • Java小程序被下载到卡中并由JVM解释器解释
  • 有些卡可以同时处理多个Java小程序，需要多道程序调度
  • 资源管理和保护由卡上的操作系统处理
• 通信方式：
  • 在读写器与智能卡之间通过”命令-响应对”方式进行通信和控制
  • 读写器发出操作命令，智能卡接收命令
  • 操作系统对命令解释，完成命令的解密与校验
  • 操作系统调用相应程序进行数据处理，产生应答信息，加密后送给读写器

6. 重点小结#

6.1 典型的国产操作系统#

麒麟、鸿蒙、Openeuler、统信等

6.2 核心概念#

• 操作系统的概念
• 理解操作系统的不同角度
• 操作系统的主要特征
• 典型的、历史上/当前有重要意义的操作系统
• 重要的操作系统技术及相关技术
  • 多道程序设计
  • 中断
  • 通道
  • SPOOLing技术
• 操作系统的分类

6.3 重要历史操作系统#

• OS/360
• MULTICS

6.4 操作系统特征#

• 并发
• 共享
• 虚拟
• 随机性

7. 常见问题解答#

7.1 Buffer Cache的作用和工作原理#

在UNIX操作系统中，文件子系统与块设备之间的Buffer Cache：

• 作用：
  • 减少对物理设备的访问次数，提高I/O性能
  • 协调CPU与I/O设备之间的速度差异
  • 支持数据的读写缓冲，实现数据共享
• 工作原理：
  • 当进程请求读取数据时，系统首先检查Buffer Cache中是否有所需数据
  • 如果有（命中），直接从Buffer Cache返回数据
  • 如果没有（未命中），从物理设备读取数据到Buffer Cache，再返回给进程
  • 写操作时，数据先写入Buffer Cache，再由系统决定何时写回物理设备

7.2 UNIX的名字来历（猜测）#

UNIX名字可能来源于MULTICS（Multiplexed Information and Computing Service）的简化和双关语：

• MULTICS是一个复杂的分时系统
• UNIX（Uniplexed Information and Computing Service）表示简化版的MULTICS
• 也有说法是”UNIX”是”eUNuchs”（阉割版的MULTICS）的变体

7.3 批处理操作系统的区别#

• 单道批处理：一次只能执行一个作业，作业按顺序依次执行，前一个作业完成后才能执行下一个
• 多道批处理：内存中同时存放多个作业，CPU在这些作业之间切换执行，提高了CPU利用率和系统吞吐量

7.4 SPOOLing技术的现状#

SPOOLing技术并未过时，在现代计算机系统中仍有广泛应用：

• 打印系统：现代操作系统的打印队列管理
• 邮件系统：电子邮件的发送和接收过程
• 后台作业处理：批处理任务的调度和执行
• 数据库系统：事务处理和日志管理

7.5 传统分时系统在今天的意义#

传统分时系统在今天仍有重要意义：

• 多用户支持：现代操作系统继承了分时系统的多用户并发访问能力
• 资源共享：分时思想是云计算、虚拟化等现代技术的基础
• 交互式计算：分时系统建立的交互式计算模式仍是现代系统的核心特性
• 公平调度：分时系统的时间片轮转调度思想仍被广泛应用

7.6 操作系统的主要作用和典型特征#

操作系统的主要作用：

• 管理计算机硬件和软件资源
• 为应用程序提供统一的服务接口
• 实现人机交互，提供用户界面
• 提高系统资源利用率
• 保护系统安全和数据完整性

操作系统的典型特征（与其他软件相比）：

• 并发性：能够同时运行多个程序
• 共享性：多个用户/程序共享系统资源
• 虚拟性：将物理资源抽象为逻辑资源
• 异步性：程序执行的结果与时间有关
• 持久性：操作系统常驻内存
• 特权性：拥有对硬件的直接控制权
• 复杂性：结构复杂，功能丰富