操作系统引论思维导图

这是一篇关于操作系统引论思维导图的思维导图。

第1章 操作系统引论

• 1.1 操作系统的目标和作用
  • 1.1.1 目标
    • 方便性：方便用户用命令或者窗口直接操作计算机系统
    • 有效性
      • 1、提高系统的资源利用率（保证资源得到充分有效利用）
      • 2、提高系统的吞吐量（合理组织计算机工作流程，加快程序允许）
    • 操作系统的重点工作
    • 可扩充性：指操作系统能够不断升级、扩展和加入新的模块
    • 开放性：指遵守世界OSI标准，操作系统能够确保兼容性
  • 1.1.2 作用
    • 1、作为用户与计算机硬件系统之间的接口
      • 含义：用户可通过操作系统来操纵计算机
      • 三种操纵方式：命令、系统调用、界面图标
    • 2、作为计算机系统资源的管理者
      • 资源分为4大类 ：处理机、存储设备、IO设备、文件
        • 重点！！
      • 管理者的功能
        • 1、处理机管理：分配和控制处理机
        • 2、存储管理：负责内存的分配与回收
        • 3、IO设备管理：负责IO设备的分配与回收
        • 4、文件管理：实现对文件的存取、共享和保护
        • 本书的重点就在于管理
    • 3、实现对计算机资源的抽象
      • 第一层抽象：I/O设备设备管理软件，隐藏了IO设备的具体细节
      • 第二层抽象：文件管理软件，实现对文件操作的细节
      • 总结：OS其实是多层软件的集合，每层软件都实现对下一层的细节抽象
• 1.2 操作系统的发展过程
  • 1.2.1 未配置操作系统的计算机系统
    • 1、人工操作方式
      • 工作过程：利用纸带装入机将程序和数据输入计算机
      • 缺点
        • 用户独占全机
        • CPU需要等待人工操作
        • 严重降低了资源的利用率
    • 2、脱机输入输出方式
      • 工作过程关键：程序和数据的输入都是在外围机下完成，利用磁带作为中间设备
      • 优点
        • 提高了IO速度：磁带的IO读取速度比纸带机快
        • 减少CPU的空闲时间：输入由外围机控制，不占用主机时间
  • 1.2.2 单道批处理系统
    • 单道批处理：指处理作业的通道只有一个，等待处理的作业是成批的。意味着作业的处理是连续的，只能是一个接一个
    • 缺点
      • 当作业发出IO中断请求，操作系统响应后，作业进行IO设备的操纵，此时处理机中的CPU就空闲了
  • 1.2.3 多道批处理系统
    • 多道批处理：指利用一个作业进行IO操作时，其余作业利用这个CPU空闲期进行操作。但指的是多道程序处理，并行操作只能靠多核处理器实现
    • 优缺点
      • 优点（特征）：资源利用率高、吞吐量大
      • 缺点：无交互能力、平均周转时间长
    • 操作系统的定义：一组能够有效组织计算机的硬件和软件资源，合理对各种作业进行调度以及方便用户程序使用的集合
  • 为了提高资源的利用率而诞生的
  • 1.2.4 分时系统
    • 分时操作系统的引入
      • 人机交互、多用户共享主机的要求
    • 分时操作系统的关键问题
      • 如何使多个用户和自己的作业交互
      • 方法：系统提供多个终端，同时给多个用户使用，用户在终端上输入命令，系统能够及时响应并处理，在将结果返回
        • 及时接受：主机利用分时多路复用，以很快的速度周期性地扫描各个终端，总能及时接受到命令
        • 及时处理：采用轮转允许方式，给每个用户程序一个时间片，一旦时间到了就换下一个程序进行处理
    • 特征：多用户性、用户之间的独立性、及时性、交互性
  • 1.2.5 实时系统
    • 实时特征：指的就是”及时“
    • 实时任务
      • 周期性的实时任务、非周期性的实时任务
      • 硬实时任务、软实时任务
  • 1.2.6 微机操作系统
    • 单人单任务、单人多任务、多人多任务的微机操作系统的演变
    • 关键：程序能够被分解为多个任务进行并发处理
• 1.3 操作系统的基本特性
  • 1.3.1 并发
    • 并行：依靠多处理器进行同时处理
    • 并发：在单处理器下多时间在同一时间间隔内发送
    • 引入进程：应用程序可以分为多个进程，进程可以并发执行。进程是系统中能独立运行并作为资源分配的基本的单位
  • 1.3.2 共享
    • 资源共享：在OS环境下，系统中的资源能够可供内存中的多个并发进程共同使用
    • 实现资源共享方式
      • 1、互斥共享方式：在一段时间只能允许一个进行访问的资源（临界资源）使用互斥共享
      • 2、同时访问方式：同时指的是宏观上多个并发进程能够同时访问一个资源，实际微观上是交替式的访问资源
  • 1.3.3 虚拟
    • 虚拟的概念：将一个物理实体抽象为若干个逻辑上的对应物的功能
    • 操作系统上的虚拟技术
      • 时分复用技术：指的是利用某一设备为以用户服务的空闲时间，又转去为其余用户服务，在时间上实现了复用
      • 空分复用技术：利用存储器的空闲空间分区域存放和允许其他的程序，在空间上实现了复用
  • 1.3.4 异步
    • 进程的异步性：进程以人们不可预知的顺序和速度向前运行
• 1.4 操作系统的主要功能
  • 1.4.1 处理机管理
    • 处理机处理的基本单位：进程
    • 1、进程控制：创建、撤销进程，
    • 2、进程同步：确保所有进程按顺序运行
      • 进程互斥方式：给每一个临界资源配置一把锁
      • 进程同步方式：信号量机制
    • 3、进程通信：交换信息一般采用直接通信，由源进程将消息发送到目标进程的消息队列上
    • 4、调度：作业调度（从作业的后背队列中选择）与进程调度（从进程的就绪队列中选择）
  • 1.4.2 存储器管理
    • 1、内存分配、地址映射
    • 2、内存保护：不允许读取其他程序的内存空间，不允许读取核心程序的空间。通常使用指针来指向程序空间的上下界来实现
    • 3、内存扩充：指利用硬盘在逻辑上扩充内存
      • 请求调入功能：系统允许程序仅存入部分程序就运行，当缺少程序片段时就从硬盘调入
      • 置换功能：当内存不够使用时，程序将部分不适用的程序、数据片段转移到硬盘
  • 1.4.3 IO设备管理
    • 1、缓冲管理：在IO设备与CPU之间设置缓存，缓存机制有很多
    • 2、设备分配：根据用户提交的IO请求，合理的分配I/O设备
    • 3、设备处理：实现CPU与设备控制器之间的通信，即CPU要求设备完成指定操作
  • 1.4.4 文件管理
    • 1、文件存储空间的管理 ：为每个文件分配存储空间，提高快速的查询手段等等
    • 2、目录管理：为每一个文件建立一个目录项（文件名、文件属性等等）
    • 3、文件的读/写管理和保护
  • 1.4.5 操作系统与用户之间的接口
    • 1、用户接口：为了便于用户直接或间接控制自己的作业，通过命令接口完成
      • 直接命令：联机用户接口
      • 命令脚本：脱机用户接口
      • 图形：图形用户接
    • 2、程序接口：为了用户程序在执行中访问系统资源而设置的
      • 由一组系统调用组成
• 1.5 OS结构设计
  • OS结构的设计：设计到工作模式、OS的设计结构、程序设计语言
  • 1.5.1 传统操作系统结构
    • 无结构的操作系统、模块化结构OS（模块-接口法，各个模块设计起头并进，是无序的）、分层结构化OS
  • 1.5.2 客服/服务器简介
    • 一种工作模式
  • 1.5.3 面向对象的程序设计
    • 一种程序设计语言
    • 利用这种语言的抽象和隐蔽来控制大型软件的复杂度，对象、对象操作方法、对象的属性、对象类、继承
  • 1.5.4 举例：微内核OS结构
    • 特征：支持多处理机运行
    • 微内核OS的基本概念
      • 1、足够小的内核：微内核并非完整的OS，只是将OS的最基本的部分放入微内核
      • 2、基于客户/服务器模式：操作系统的绝大部分是被放入到微内核外的一组服务器进程上，
      • 3、应用“机制和策略分离”原理：在微内核系统中，将机制放入微内核中
      • 4、采用面向对象的技术
    • 微内核OS的基本功能：进程管理、低级存储器管理、中断和陷入机制
    • 微内核OS的存在问题：上下文切换频繁，导致运行效率有所降低
      • 传统的操作系统中，客户机直接和OS内核通信，需要两次上下文切换
      • 微内核操作系统，由于客户和服务器的通信是通过内核交换的，那么至少需要4次