本系列博文是西安電子科技大學出版社出版的《計算機操作系統》（第三版）湯小丹 樑紅兵 哲鳳屏 湯子瀛 一書的讀書筆記
特此註明爲讀書筆記，若有侵權，敬請通知本人
1.1操作系統的目標和作用
1.1.1 操作系統的目標
1. 有效性:
（1）提高了系統資源利用率，如使空閒的CPU和I/O保持忙碌狀態，有效的內存分配策略節省存儲空間等
（2）提高了系統的吞吐量
2. 方便性: 便於使用，如引入GUI操作界面
3. 可擴展性: 能適應於不同的計算機硬件、體系結構
4. 開放性: 遵循開放系統互聯(OSI) 的標準，兼容軟硬件，方便實現計算機互聯
1.1.2 操作系統的作用
1. 用戶和硬件間的接口：（1）命令方式 （2）圖形界面方式（3）系統調用（在應用程序中）
2. 管理計算機資源：如內存的分配與回收、CPU管理、I/O管理、文件管理等等
3. 抽象計算機系統資源：隱藏計算機硬件的細節，向上提供高級抽象
1.1.3 發展動力
1. 對計算機資源利用率的追求：如能提高I/O設備和CPU利用率的SPOOLing系統，提高存儲器系統利用率的虛擬存儲技術
2. 方便用戶
3. 硬件的更新迭代
4. 計算機體系結構的發展
1.2 操作系統的發展過程
無操作系統的計算機操作系統
問題：CPU和I/O之間速度鴻溝太大，CPU的空閒率高
解決方法：脫機輸入輸出技術（Off-Line I/O）
優點：
（1）減少了主機CPU的空閒時間（外圍機完成了輸入輸出設備和磁盤的連接）
（2）提高了I/O的速度，CPU在運行中需要數據的時候，可以從高速的磁帶/磁盤中將數據調入內存
單道批處理系統
相比”無操作系統的計算機操作系統“多了一個監督程序（Monitor）
（1）自動性
（2）順序性
（3）單道性（內存中僅有一道程序在運行）
多道批處理系統
精髓：由調度算法從隊列中選取若干作業調入內存，共享CPU等系統資源
好處：
（1）資源利用率高（CPU、內存、I/O）
（2）吞吐量大
壞處：
（1）平均週轉時間長（作業仍需要排隊，比如就算A申請I/O中斷了，CPU也會先跑B，不會跑C）
（2）無交互能力（提交後，直到其完成）
要解決的問題：處理器、內存、文件、I/O、作業的管理問題
分時系統
精髓：一主機，多終端共享資源，時間片
要解決的問題：及時接收，及時處理（重要，影響人機交互體驗）
實時系統
精髓：系統能及時響應外部事件的請求，在規定的時間內完成處理。相比分時系統更強調“可靠性”，不能有差錯。
微機操作系統的發展
1. 單用戶單任務操作系統：一次一個用戶，一次一個程序，例：MS-DOS
2. 單用戶多任務操作系統：一次一個用戶，若干程序併發執行，例：windows
3. 多用戶多任務操作系統：多個用戶終端連接一個主機，每個用戶有若干程序。每個用戶被分配時間片，在自己的時間片中，用戶 程序併發執行，例：UNIX
1.3 操作系統的基本特性
1.3.1 併發性
1. 並行、併發
並行：多個事件在同一時刻發生；併發：多個事件在同一個時間段內發生（一個時刻仍只允許發生一個事件）
只有在多處理器架構上，纔有並行。
2. 進程
爲什麼引入進程：爲了併發。如果沒有併發，程序是一個執行單元，要麼做完，要麼一點也不做，就變成單任務了。多個進程之間可以併發執行、交換信息
3. 線程
進程擁有自己的資源，調度的時候有一定開銷。爲什麼引入線程：爲減少調度開銷，提高併發度。一個進程有多個線程，它們共享這個進程的資源。結果：進程是分配資源的基本單位；線程是運行和調度的基本單位。
1.3.2 共享性
概念：系統資源供多個在內存中的併發執行的進程共享
實現方式：
1. 互斥共享
2. 同時訪問（單處理器上同時間段，不同時刻訪問；多處理器上可以實現同時刻訪問（真正的同時））
1.3.3 虛擬技術
概念：使一個物理實體對應多個邏輯實體
1. 時分複用技術
1）虛擬處理器技術（分時間片供多個用戶使用，就好像感覺每個用戶都有一個處理器爲它們服務一樣）
2）虛擬設備技術（比如打印機）
2. 空分複用技術
1）虛擬磁盤技術（一個盤片分成幾個卷，如windows上面的C、D、E盤等）
2）虛擬存儲器技術（在邏輯上擴大存儲器容量，後面在將存儲器一章的時候，會詳細介紹）
1.3.4 異步性
內存中有各種作業，處理器密集型的，I/O密集型的。由於各種原因，進程完成的時間是不可預知的，這就是進程的異步性。
1.4 操作系統的主要功能
1.4.1 處理器的功能
1. 進程控制
主要功能：創建，撤銷，終止進程；控制進程運行中的狀態轉化；爲進程創建，撤銷，終止線程
2. 進程同步
主要功能：協調多個進程（含線程）的運行
兩種方式：
（1）進程互斥
（2）進程同步
實現方法：最簡單：鎖，最常用：信號量
3. 進程通信
相互合作的進程之間需要交換信息
4. 調度
（1）作業調度
從後備作業隊列中，按算法選出若干作業，調入內存，建立進程，按算法插入就緒進程隊列
（2）進程調度
從就緒進程隊列中，按算法選出一個進程（一個處理器上），分配處理器，保存上下文信息，執行。
（另外，如果是在 “線程作爲運行和調度的基本單位” 的多線程OS中，就把上面的“進程”換成線程就好了。）
1.4.2 存儲器管理功能
1. 內存分配
作用：爲要運行的程序分配內存空間。
分類：
靜態內存分配：作業的內存空間在裝入時已確定，不得更改；也不準作業在內存中移動
動態內存分配：裝入時有一個大概的基本空間，後面可以再申請；允許作業在內存中移動
2. 內存保護
作用：確保程序都只在自己的那塊內存中運行
實現：由硬件作越界檢查，發現越界後與軟件配合處理
3. 地址映射
作用：把地址空間中的邏輯地址轉換爲內存空間中對應的物理地址，讓程序正確運行。
4. 內存擴充
作用：允許內存中有更多的程序併發執行
實質：用一些技術使內存能裝入更多的程序來併發執行，實際上並沒有提高內存的容量。
實現：
（1）請求調入功能：只裝入程序的一部分和部分數據就可以讓程序執行。運行到需要程序別的部分和新數據了，再叫OS從磁盤調入。
（2）置換功能：發現內存中沒有足夠空間來容納需要調入的程序和數據了，叫OS看看能不能把內存中暫時不用的程序和數據調回磁盤去，騰出空間納入亟需使用的程序和數據。
1.4.3 設備管理功能
1. 緩衝管理
2. 設備分配
3. 設備處理
1.4.4 文件管理功能
1. 存儲空間管理2. 目錄管理
3. 讀/寫管理、保護
1.4.5 OS和用戶間的接口
（1）用戶接口（2）程序接口（系統調用）
1.5 OS結構設計
1.5.1 傳統的操作系統結構
1.5.2 客戶－服務器 模式
1.5.3 面向對象程序設計
1.5.4 微內核OS結構
