操作系统思维导图第一章脑图操作系统知识点

操作系统思维导图第一章脑图操作系统知识点导图，归纳了操作系统的目标和作用、发展过程、基本特性、主要功能和结构设计相关内容，知识全面详细，干货满满，赶紧收藏！

操作系统引论

• 1.1 操作系统的目标和作用
  • 操作系统基本概念
    • 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——它 们能以尽量有效、合理的⽅式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组 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，使得 ⽤户能够灵活、⽅便、有效的使⽤计算机，使整个计算机系统能⾼效地运 ⾏。
    • （系统观点） ▪控制程序 – 控制⽤户程序的执⾏和I/O设备的操作 ▪资源分配器 – 管理和分配资源,解决资源冲突 ▪内核 – ⼀直运⾏在计算机上的程序 (其他程序则为应⽤程序)
  • 引入操作系统的目标
    • 方便性（⽤户的观点）
      • 提供良好的、⼀致的⽤户接⼝，弥补硬件系统的类型和数量差别
    • 有效性（系统管理⼈员的观点）
      • 含义
        • 提高系统资源利用率
        • 提高系统的吞吐量
    • 可扩充性（开放的观点）
      • 适应硬件、体系结构发展。采⽤微内核结构的OS具有良好的可扩展性
    • 开放性
      • 不同⼚家的计算机及设备要求具有统⼀的开放的环境，故⾸先要求操作系统的开放性
  • 操作系统的作用
    • OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
      • 方式有： ▪命令⾏ ▪系统调⽤：程序接⼝ ▪图形、窗⼝⽅式
    • OS作为计算机系统资源的管理者
      • ▪硬件资源 ▪软件资源 CPU、Memory、IO Devices、File System…
    • OS实现了对计算机资源的抽象
      • 在裸机上添加： • 设备管理 • ⽂件管理 • 存储管理（针对内存和外存） • 处理机管理（针对CPU）；
      • 屏蔽硬件细节，将物理设备抽象成数据结构和操作命令
  • 推动OS发展的主要动⼒
    • 不断提高计算机资源利用率
      • 计算机发展的初期，计算机系统昂贵，⽤作集中计算
    • 方便用户
      • ⽤户上机、调试程序，分散计算时的事务处理和⾮专业⽤户（商业和办公、家庭）
    • 器件的不断更新换代
      • CPU的位宽度（指令和数据）、快速外存
    • 计算机体系结构的不断发展
    • 不断提出新的应用需求
  • 三种基本操作系统
    • 批处理系统
    • 分时系统
    • 实时系统
• 1.2 操作系统的发展过程
  • ⽆操作系统的计算机系统
    • 人工操作方式
      • 主要矛盾
        • 计算机处理能⼒的提⾼，⼿⼯操作的低效率（造成浪费）；
        • ⽤户独占全机的所有资源；
      • 提高效率的途径
        • 专⻔的操作员，批处理
    • 脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式
      • 减缓CPU和IO设备速度⽭盾，提⾼资源利⽤率
      • 
  • 批处理系统（ 60 年代）
    • 单道批处理系统
      • 利⽤磁带把若⼲个作业分类编成作业执⾏序列，每个批作业由⼀个专⻔的监督程序(Monitor)⾃动依次处理。内存中始终只保留1道作业
      • 批处理中的作业的组成
        • ⽤户程序
        • 数据
        • 作业说明书（作业控制语⾔）
      • 批
        • 供⼀次加载的磁带或磁盘，通常由若⼲个作业组装成，在处理中使⽤⼀组相同的系统软件（系统带），不需要任何⽤户交互，把它提交给系统，系统会选择⼀个最合适的时间来执⾏它
      • 单道批处理系统的特征
        • ⾃动性。
        • 顺序性。
        • 单道性。
      • 单道批处理系统的主要缺点
        • 系统中资源得不到充分的利用：内存中仅有⼀道作业， 它⽆法充分利⽤系统中的所有资源，致使系统性能较差。
      • 单道批处理的主要问题
        • CPU和I/O设备使⽤忙闲不均（取决于当前作业的特性）
          • 对计算为主的作业，外设空闲；
          • 对 I/O 为主的作业， CPU 空闲；
    • 多道批处理系统
      • 为实现“多道批处理” ⽤户所提交的作业都先存放在 外存上并排成⼀个队列，称为“后备队列”
        • 由作业调度程序按⼀定的算法从后备队列中选择若⼲个 作业调⼊内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源
      • 多道批处理的运⾏特征
        • 多道：内存中同时存放⼏个作业；
        • 宏观上并⾏运⾏：都处于运⾏状态，但都未运⾏完；
        • 微观上串⾏运⾏：各作业交替使⽤ CPU
      • 多道批处理系统的优缺点
        • 优点
          • 资源利⽤率⾼。
          • 系统吞吐量⼤。 系统吞吐量是指从作业进⼊系统开始所完成的总量。
        • 缺点
          • 平均周转时间⻓。
          • ⽆交互能⼒。
      • 多道批处理系统需要解决的问题
        • 处理机管理问题。
        • 内存管理问题。
        • I/O 设备管理问题。
        • ⽂件管理问题。
        • 作业管理问题。
    • 单道和多道批处理的⽐较
      • 
  • 分时系统 （ 60 年代）
    • 用户的需求
      • ⼈ — 机交互。
      • 共享主机。
      • 便于⽤户上机。
    • 分时系统实现中的关键问题
      • 及时接收。
      • 及时处理。
    • 分时系统的类型
      • 单道分时
      • 前台后台分时
      • 多道分时
    • 分时系统的特征
      • 多路性 ：多个⽤户同时⼯作。
        • 共享系统资源，提⾼了资源利⽤率。节省维护开⽀，可靠性⾼：哑 终端 ——⾄今仍在使⽤。促进了计算机的普遍应⽤，提⾼资源利⽤ 率：远地⽤户通过终端（较便宜）联机使⽤。
      • 独⽴性 ：各⽤户独⽴操作，互不⼲扰。
      • 交互性
        • 系统能及时对⽤户的操作进⾏响应，显著提⾼调试和修改程序 的效率：缩短了周转时间。
    • 分时系统的主要问题
      • 及时接受输⼊：多个 I/O 端⼝，设⽴多路缓冲区
      • 及时响应：
        • 提⾼对换速度（快速外存）、
        • 限制⽤户数⽬、
        • 缩短时间⽚（可能引起对换次数增多，开销增⼤，程序总运⾏时间增⼤）
      • 减少对换信息量：
        • 可重⼊代码 (re-entrant code)
        • 请求⻚式存储管理：只对换部分程序
  • 实时系统（ 70 年代）
    • 主要特征
      • 实时性
      • 可靠性
    • 应用需求
      • 实时控制。
      • 实时信息处理。
    • 实时任务的类型
      • 硬实时任务 (hard real-time task) 。系统必须满⾜任务对截⽌时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
      • 软实时任务 (Soft real-time task) 。它也联系着⼀个截⽌时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截⽌时间， 对系统产⽣的影响也不会太⼤。
    • 实时系统与批处理系统和分时系统的区别
      • 专用系统
        • 许多实时系统是专⽤系统，⽽批处理与分时系统通常是通⽤系统。
      • 实时控制
        • 实时系统⽤于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。
      • 高可靠性
        • 实时系统⽤于控制重要过程，要求⾼度可靠，具有较⾼冗余。如双机系统。
      • 可与通⽤系统结合成通⽤实时系统
        • 实时处理前台作业，批处理为后台作业。
  • 微机操作系统（ 70-90 年代）
    • 单⽤户单任务操作系统
    • 单⽤户多任务操作系统
    • 多⽤户多任务操作系统
• 1.3 操作系统的基本特性
  • 操作系统的特征
    • 并发 (concurrence)
      • 并发是指多个事件在同⼀时间段内发⽣。操作系统是⼀个并发系统，各进程间的并发，系统与应⽤间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。 并⾏(parallel)是指在同⼀时刻发⽣。
      • 程序的静态实体是可执⾏⽂件，⽽动态实体是进程（或称任务），并发指的是进程。
    • 共享 (sharing)
      • 两种资源共享⽅式
        • 互斥共享：资源分配后到释放前，不能被其他进程所⽤。
        • 同时访问（如可重⼊代码，磁盘⽂件）
      • 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。
    • 虚拟 (virtual)
      • “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，是⽤户感觉上的东⻄。
      • ⼀个物理实体映射为若⼲个对应的逻辑实体——时分或空分复⽤。虚拟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 虚处理机
        • 存储器 —— 每个进程都占有的地址空间（指令＋数据＋堆栈）
        • 显示设备 —— 多窗⼝或虚拟终端 (virtual terminal)
    • 异步性 (asynchronism)
      • 也称不确定性，指进程的执⾏顺序和执⾏时间的不确定性
      • ⽆论快慢，应该结果相同——通过进程互斥和同步⼿段来保证
• 1.4 操作系统的主要功能
  • 处理机管理功能
    • 进程控制
      • 创建、撤销、挂起、改变运⾏优先级等——主动改变进程的状态
      • 进程控制的主要功能
        • 为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运⾏过程中的状态转换。
    • 进程同步
      • 协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；—— 进程互斥⽅式和同步⽅式
      • 进程同步的主要任务
        • 为多个进程(含线程)的运⾏进⾏协调。 有两种协调⽅式
          • 进程互斥⽅式
            • 这是指诸进程(线程)在对临界资源进⾏访问 时， 应采⽤互斥⽅式；
          • 进程同步⽅式
            • 指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程) 间，由同步机构对它们的执⾏次序加以协调
    • 进程通信
      • ⼀组相互合作的进程去完成⼀个共同的任务时，它们之间需要交换信息
      • 当相互合作的进程处于同⼀计算机系统时，通常在它们之间采⽤直接通信⽅式，即由源进程利⽤发送命令直接将消息挂到⽬标进程的消息队列上，⽬标进程利⽤接收命令从其消息队列中取出消息
    • 调度
      • 作业和进程的运⾏切换，以充分利⽤处理机资源和提⾼系统性能
      • 在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执⾏。在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步
        • 作业调度的任务：是从后备队列中按照⼀定的算法，选择出 若⼲个作业，为它们分配其必需的资源(⾸先是分配内存)。
        • 进程调度的任务：是从进程的就绪队列中选出⼀新进程，把 处理机分配给它，并为它设置运⾏现场， 使进程投⼊执⾏
  • 存储管理功能
    • 内存分配
      • 静态分配
      • 动态分配
      • 内存分配的主要任务
        • 为多道程序分配内存空间
        • 提⾼存储器的利⽤率
        • 允许正在运行的程序申请附加的内存空间
    • 内存保护
      • 主要任务
        • 确保每道用户程序都仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰
        • 决不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中去执行
    • 地址映射
    • 内存扩充
  • 设备管理功能
    • 主要任务
      • 完成 I/O 请求，分配 I/O 设备，完成 I/O 操作
      • 提⾼ CPU I/O 设备利⽤率
    • 缓冲管理
      • 单缓冲
      • 双缓冲
      • 缓冲池
    • 设备分配
      • 主要任务
        • 完成⽤户进程提出的I/O请求； 为⽤户进程分配其所需的I/O设备；提⾼CPU和I/O设备的利⽤率；提⾼I/O速度；⽅便⽤户使⽤I/O设备
    • 设备处理
      • 设备处理程序⼜称为设备驱动程序
      • 基本任务是⽤于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理
  • 文件管理功能
    • 文件存储空间的管理
      • 主要任务是为每个⽂件分配必要的外存空间
    • 目录管理
    • 文件的读/写管理和保护
      • ⽂件保护
        • ① 防⽌未经核准的⽤户存取⽂件
        • ② 防⽌冒名顶替存取⽂件
        • ③ 防⽌以不正确的⽅式使⽤⽂件
  • 操作系统与⽤户之间的接⼝
    • 用户接口
      • 联机用户接口
      • 脱机用户接口
      • 图形用户接口
    • 程序接口
  • 现代操作系统的新功能
    • 系统安全
      • 认证、密码、访问控制、反病毒技术
    • 网络的功能和服务
      • ⽹络通信、资源管理、应⽤互操作
    • 支持多媒体
• 1.5 OS结构设计
  • 传统操作系统结构
    • 第⼀代：⽆结构：⼀组过程的集合
    • 第⼆代： 模块式结构
      • 模块化OS的优点
        • 提⾼了 OS 设计的正确性、 可理解性和可维护性。
        • 增强了 OS 的可适应性。
        • 加速了 OS 的开发过程。
      • 模块化OS的缺点
        • 对模块的划分及对接⼝的规定并不精确， ⽽且还可能存在错误，很难保证所设计出的模块会完全正确， 使在把这些模块装配成OS 时发⽣困难；
        • 从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别； 由于管理上的差异，⼜会使模块间存在着复杂的依赖关系使OS 结构变得不清晰。
    • 第三代： 层次式结构
      • 基本思想
        • OS被分成若⼲层，每层建⽴在较低层之上，最低层 (0)层是硬件，最⾼层是⽤户⼝。
        • 每层由数据结构和⼀组可为上层所调⽤的⼦程序集合所组成
        • 每层只能利⽤ 较低层的功能和服务
      • 优点
        • 简化了调试和系统验证
      • 分层设计的困难
        • 对层的划分及定义较困难
        • 与其它⽅法相⽐效率较差
    • 20 世纪 90 年代中期： 微内核结构
    • 其它操作系统结构
  • 客户/服务器模式
    • 客户机：⽹络上独⽴的计算机，服务的请求者
    • 服务器：⽹络上独⽴的计算机，通常功能强⼤，配置有⽹络⽂件系统或者DBMS 系统，能为⽹络上多个⽤户提供多种服务
    • 客户服务器的特点
      • 优点
        • 数据分布处理和存储，数据本地处理，服务器存储，提⾼可靠性和性能
        • 集中管理，重要数据存放服务器，集中管理，提⾼安全和可靠
        • 灵活性和可扩充性，客户机和服务器数量不收限制
        • 软件管理⽅便，客户机软件易维护和升级
      • 缺点
        • 服务器和⽹络为瓶颈，重负载下会出现极⼤延迟
  • 面向对象的程序设计
    • OOP的概念
      • 对象
      • 对象类
      • 继承
    • 优点
      • 通过“重用”提高产品质量和生产率
      • 使系统具有更好的易修改性和易扩展性
      • 更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”
  • 微内核OS结构
    • 基本思想
      • 将操作系统中所有⾮基本部分从内核中移⾛，并将他们当作系统级程序和⽤户级程序来实现
      • 提供客户程序和运⾏在⽤户空间的各种服务之间的通信功能
    • 微内核
      • 指精⼼设计、能实现现代OS核⼼功能的⼩型内核；微内核并⾮⼀个完整的OS，⽽是为构建通⽤OS提供了⼀个重要基础。---- ⼀个OS系统框架，各模块执⾏的平台
    • 采取的两种技术
      • 客户 —— 服务器模式 (C/S Model)
      • ⾯向对象的程序设计技术 (OOP)
    • 客户/服务器模式
      • OS划分为两部分
        • ⽤于提供各种服务的⼀组 服务器 进程 ，服务器进程都运⾏在⽤户态
        • 另⼀部分是 OS 内核 ，⽤来处理客户和服务器之间的通信 %2c 运⾏于核心态
      • 优点
        • 提⾼了系统的灵活性、可扩充性、可靠性
        • 
      • OOP技术给OS设计带来的优点
        • 利⽤“重构”提⾼质量和⽣产率
        • 系统有更好的易修改性和扩展性
        • 保证系统的正确性和可靠性
    • 基本功能
      • 进程管理
      • 存储器管理。
      • 进程通信管理。
      • I/O设备管理
    • 优点
      • 提⾼系统可扩展性
      • 增强可靠性
      • 可移植性强
      • 提供对分布式系统的⽀持
      • 融⼊⾯向对象技术
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