Transcript 第二章 操作系统概述
操作系统原理 张晓勇 [email protected] 课程信息 32学时，2学分 先修课程：数据结构、程序设计语言 平时成绩30%，考试占70% 课程教材 操作系统——精髓与设计原理（第七版），William Stallings， 电子工业出版社，2012 参考教材 现代操作系统（第三版）， Tanenbaum.A.S，机械工业出版社， 2009 计算机操作系统教程（第三版），张尧学，清华大学出版社， 2006 操作系统: 精髓与 设计原理 第二章 操作系统 概述 Seventh Edition By William Stallings 操作系统: 精髓与设计原理 操作系统为应用程序提供与硬件交互的接口，为运行中的应用 程序动态分配可共享的系统资源。涉及到内存、进程和外设的管理 与调度。 相邻层次的接口不断改变，早期操作系统的部分功能后来被移 植到硬件中，原有与应用程序解决问题无关的功能慢慢包含在操作 系统中。 —什么能被自动化？计算机科学与工程研究 MIT Press, 1980 操作系统 是控制应用程序执行的程序 充当应用程序和计算机硬件之间的接口 主要目标: • 方便 • 有效 • 可扩展能力 Figure 2.1 Computer Hardware and Software Infrastructure 程序开发 Program development 程序运行 Program execution I/O访问 Access I/O devices 文件访问控制 Controlled access to files 系统访问 System access 错误检测和响应 Error detection and response 记账 Accounting 关键接口 指令集体系接口 Instruction set architecture (ISA) 应用程序二进制接口 Application binary interface (ABI) 应用程序开发接口 Application programming interface (API) 计算机是一组资源，用于移动、存储 和处理数据 操作系统负责管理这些资源 与普通的计算机软件作用相同，是处理器 运行的一段或一组程序 经常释放控制，必须依赖处理器重新获得 控制 作为资源 管理器的 操作系统 操作系统的易扩展性 主流操作系统需要不断发展: Hardware upgrades New types of hardware New services Fixes 操作系统的发展 Stages include: 分时系统 多道程序批处理系 统 简单批处理 串行处理 串行处理 问题: 早期计算机: 没有操作系统 程序员直接与计算机硬件 打交道 机器在一个控制台（Console） 上运行，控制台包括指示灯、 触发器、某种输入设备和打印 机。 用户串行访问计算机 调度: 大多数装置使用一个硬拷贝 登记表来预定计算机时间 用时可能比预定长短, 导致计算时间浪费 准备时间 将程序运行起来需要花费大 量准备时间 简单批处理系统 早期计算机非常昂贵 最大化提高CPU利用率非常重要 监控程序Monitor 用户不再直接与机器打交道 用户把卡片或者磁带中的作业（jobs）提交给操作员， 操作员将这些jobs 按顺序组织成一批，将这批作业交给 输入设备上，供监控程序使用。 程序完成处理后返回监控程序 Monitor控制事件的顺序 Resident Monitor 是一个常驻内存 的软件 Monitor读取作业并将控制权交 出 作业完成后将控制权返回给监 控程序 处理器执行内存中监控程序的指令 这些指令读取用户程序执行，直到遇到一个结束指令或 错误条件 “控制权交给作业” 意味着处理器当前读取和执行的是 用户程序的指令 “控制权交给监控程序” 意味着处理器当前读取和执行 的是监控程序的指令 作业控制语言 Job Control Language（JCL) 是一种特殊的程序设计语 言，用于为监控程序提供指 令 告诉编译器用什么编 译器 用什么数据 内存保护Memory Protection • 用户程序执行时不能改变监控程序的内存区域 定时器Timer • 防止一个作业独占系统 特权指令Privileged instructions • 某些指令设计成只能由监控程序运行 中断Interrupts • 给了操作系统更大灵活性 两种操作模式 用户态 内核态 • 用户程序在用户态下运行 • 某些受保护内存区域在用 户态下不能访问 • 某些指令不能允许 • 监控程序在内核态下运行 • 可以运行特权指令 • 可以访问受保护的内存区 域 简单批处理系统的开销 处理器在用户程序与监控程序之前来回切换 牺牲: some main memory is now given over to the monitor some processor time is consumed by the monitor 尽管存在以上开销，简单批处理系统还是提高了系统利 用率 多道批处理系统 处理器经常空 闲 即便是自动 作业序列 I/O 相比处 理器速度太 慢 The processor spends a certain amount of time executing, until it reaches an I/O instruction; it must then wait until that I/O instruction concludes before proceeding 必须有足够内存容纳OS (resident monitor) 和用户程序 当一个作业需要等待I/O，处理器可以切换到另一个不需等待 I/O的作业 多道程序 也称为多任务multitasking 内存扩充为可保存3个或更多的程序，并且在其中切换 多道程序实例 多道程序的资源利用率 Table 2.2 Effects of Multiprogramming on Resource Utilization 利用率直方图 能用来处理多个交互性任务 处理器时间被多个用户分享 多用户通过终端并发访问系统，OS控制每个 用户程序以很短的时间交替执行 Table 2.3 Batch Multiprogramming versus Time Sharing 兼容分时系统Compatible Time-Sharing Systems 时间片Time Slicing CTSS 第一个分时系统 运行在一台内存为32000 个36-bit字的，常驻监控 程序占了5000个字 为了简化monitor程序和 内存管理用户程序总是 被装载到5000th 字处 系统时钟大约每0.2秒产生 一个中断 每个中断到来时，OS获得 控制权，并分配处理器给 另一个用户 在固定的时间间隔内，当 前用户被抢占，另一个用 户被载入 老用户程序和数据写入到 磁盘上，便于下一次恢复 OS是最复杂的软件之一 操作系统发展史上四个 重要理论进展: • • • • 进程 内存管理 信息保护和安全 调度和资源管理 进程是操作系统设计中的核心概念 一个进程可以被定义为: 一个正在执行的程序 一个正在运行程序的实例 可以分配给处理器并执行的实体 由单一顺序的执行线索、一个当前状态和一组相关的系统资源所描述的活 动单元 计算机系统的发展 计算机系统发展的三条主线： 在时间安排和同步中产生的问题推动了进程概念的发 展 多道程序批处理 • 处理器在常驻内存的多道程序间切换 分时time sharing • 能及时响应单个用户要求，而且可以同时支持多个用户 实时事务处理系统real-time transaction systems • 很多用户对数据库进行查询和修改 错误的原因 不正确的同步 一个程序必须等到缓冲区中 有数据才能继续运行，需要 等待信号到来 设计不当的信号机制可能丢 失信号或收到重复信号 失败的互斥 不确定的程序操作 程序共享内存且处理器交 错执行时可能会导致由于 重写相同内存单元发生不 可预测的干扰 两个程序被调度的顺序会 影响最终的结果 死锁Deadlocks 多个用户同时访问共享资 源 在两个或多个程序互相等待 资源而相互挂起时容易发生 两个用户中只能有一个用 户能编辑同一个文件 依赖于资源分配和释放的时 机安排 三部分: 进程的执行上下文是根 一个可执行程序 本: 程序所需的相关数据 （变量、工作空间、缓 冲区等） 程序执行的上下文 context （进程状态） 是OS操作和监视进程所需 的内部数据 包括不同进程寄存器数据 包括进程优先级、进程是 否在等待I/O事件的完成 进程的管理 进程的整个状态被包含 在进程上下文中 操作系统设计中的新功 能可以被加到进程上下文 的数据结构中来实现 5个基本的存储管理责任: 进程 隔离 自动 分配 和管 理 支持 模块 化程 序设 计 保护 和访 问控 制 长期 存储 允许程序从逻辑的角度来访问内存，而不去 考虑物理内存上可用空间数量 方便满足多用户程序同时驻留在内存中的要 求 进程由许多固定大小的块组成，称为页pages 程序通过一个虚拟地址访问一个字 由页号与页内偏移地址组成 每个页能够在放置主内存的任何部分 分页系统提供了虚拟地址与实地址（或物理地址）之间 的动态映射 虚拟存储器 Virtual Memory 内存被分为许多定长 的内存块（页），程 序执行时，程序的部 分或所有页要加载到 内存中 辅存储器（磁盘）容 纳许多定长的页，一 个应用程序由许多页 组成 Virtual Memory虚拟存储器 Addressing 寻址 分时系统时提出，计算机 网络进一步发展 对计算机系统和其中数据 的访问控制 主要 问题 可用性 保密性 认证 数据完整 性 调度和资源管理 OS的关键功能是资源管理 资源分配策略必须考虑: 效率 公平 有差别响应性 多道程序环境中设计进程调度和 资源分配的操作系统的主要组件 现代OS的特征 不同的OS设计方法 对操作系统要求的不断变化，需要不断修 改现有OS体系结构 产生了不同的方法和设计元素 • • • • • 微内核体系结构 Microkernel architecture 多线程 Multithreading 对称多处理器 Symmetric multiprocessing 分布式操作系统 Distributed operating systems 面向对象的设计 Object-oriented design 微内核体系结构 内核仅仅实现最重要的功能： 地址空间 address spaces 进程间通信 interprocess communication (IPC) 基本调度 basic scheduling 微内核结构: 简化实现 提供灵活性 适合分布式环境 一个应用的进程被分配为能并发运行的多个线程的技术 线程 Thread • 是CPU的分派单位 • 包括处理器上下文信息和线程自己的数据区域（用来子程序调用） • 顺序执行，可被中断 进程 Process • 一个或多个线程和分配的系统资源的集合 • 程序员能够大大控制应用程序的模块性和应用程序相关事件的时间安排 对称多处理器(SMP) 是一个计算机硬件体系结构术语，也是一个体现在该结构上 的操作系统行为能力 多个处理器并行运行 多个处理器对用户是透明的 这些处理器共享主内存和设备 所有处理器能完成相同的功能 支持SMP技术的OS调度线程或进程到每个处理器上 SMP优势 性能 可用性 同时可以在多个处理器上运行多个进程 单处理器故障不引起整个系统失效 增量增 长 用户可增加额外处理器以提高性能 扩展性 制造商能够根据处理器数量不同提供 不同的产品配置 面向对象设计 Object-Oriented Design 分布式操作系统 Distributed Operating System 提供一种假象 单一内存空间 单一外存空间 统一存取访问能力 落后于单处理器与SMP操作系 统 用来为校内和增加模块扩展 使程序员能够自定义操作系统 而不破坏系统整体性 使分布式工具和分布式OS开发 变得更加容易 虚拟化 使单台PC或服务器能够同时运行多个操作系统或 一个操作系统的多个实例 一台机器可在单一平台运行大量应用程序，包括那 些在不同OS下的应用 宿主操作系统能支持多个虚拟机 virtual machines (VM) 每个具有特定OS的特征 具有特定硬件平台的特征 虚拟机 概念 Process perspective: • • • • • 进程运行在一台这样的“机器”上：包含进程必需的虚拟内存； 可能用到的处理器寄存器； 可能执行的user-level machine instructions； 为了进行I/O操作的系统调用。 ABI 描述的就是进程看到的“机器” Application perspective: • “机器”的特征被高级语言能力和OS系统的库函数表征 • API定义了application看到的“机器” OS perspective: • 进程分享文件系统和其他I/O资源 • 系统为进程分配物理内存和I/O资源 • ISA 提供了OS与“机器”之间的接口 进程虚拟机和系统虚拟机 进程虚拟机和系统虚拟机 对称多处理器计算机的 OS设计考虑 A multiprocessor OS must provide all the functionality of a multiprogramming system plus additional features to accommodate multiple processors Key design issues: Simultaneous concurrent processes or threads kernel routines need to be reentrant to allow several processors to execute the same kernel code simultaneously Scheduling any processor may perform scheduling, which complicates the task of enforcing a scheduling policy Synchronization with multiple active processes having potential access to shared address spaces or shared I/O resources, care must be taken to provide effective synchronization Memory management the reuse of physical pages is the biggest problem of concern Reliability and fault tolerance the OS should provide graceful degradation in the face of processor failure 多核心计算机 的OS设计考虑 The design challenge for a many-core multicore system is to efficiently harness the multicore processing power and intelligently manage the substantial on-chip resources efficiently Potential for parallelism exists at three levels: hardware parallelism within each core processor, known as instruction level parallelism potential for multiprogramming and multithreaded execution within each processor potential for a single application to execute in concurrent processes or threads across multiple cores Developer must decide what pieces can or should be executed simultaneously or in parallel Grand Central Dispatch (GCD) • implemented in Mac Os X 10.6 • helps a developer once something has been identified that can be split off into a separate task • thread pool mechanism • allows anonymous functions as a way of specifying tasks Allows one or more cores to be dedicated to a particular process and then leave the processor alone to devote its efforts to that process Multicore OS could then act as a hypervisor that makes a high-level decision to allocate cores to applications but does little in the way of resource allocation beyond that MS-DOS 1.0 released in 1981 4000 lines of assembly language source code ran in 8 Kbytes of memory used Intel 8086 microprocessor Windows 2000 included services and functions to support distributed processing Active Directory plug-and-play and powermanagement facilities Windows 3.0 shipped in 1990 16-bit GUI interface implemented as a layer on top of MS-DOS Windows 95 Windows Vista shipped in 2007 Windows Server released in 2008 Windows 7 shipped in 2009, as well as Windows Server 2008 R2 Windows CE & Windows Phone 32-bit version led to the development of Windows 98 and Windows Me Windows NT (3.1) released in 1993 32-bit OS with the ability to support older DOS and Windows applications as well as provide OS/2 support Windows XP released in 2001 goal was to replace the versions of Windows based on MS-DOS with an OS based on NT Windows 7 体系结构 Windows的内核组件 执行体 Executive 内核 Kernel 从通用的硬件命令到特定硬件平台响应的映射 设备驱动 Device Drivers 控制处理器的执行 硬件抽象层 Hardware Abstraction Layer (HAL) 包括OS核心服务：内存管理、进程和线程管理、异常和中断处理、 多处理器同步 扩展执行体的动态库：硬件驱动、文件系统、网络协议等 窗口和图形系统 Windowing and Graphics System 实现GUI函数 用户态下的进程 支持4类用户态进程: 特殊系统进程 服务进程 环境子系统 用户应用程序 • 用户态下的部分系统服务，会话管理、登录认证管 理等 • 打印机后台管理、事件记录器、用户安装的网络 • 支持Win32和POSIX子系统 • 运行用户可执行程序EXE与DLL动态链接库 Windows OS services, environmental subsystems, and applications are all structured using the client/server model Common in distributed systems, but can be used internal to a single system Processes communicate via RPC Advantages: it simplifies the Executive it improves reliability it provides a uniform means for applications to communicate with services via RPCs without restricting flexibility it provides a suitable base for distributed computing Two important characteristics of Windows are its support for threads and for symmetric multiprocessing (SMP) OS routines can run on any available processor, and different routines can execute simultaneously on different processors Windows supports the use of multiple threads of execution within a single process. Multiple threads within the same process may execute on different processors simultaneously Server processes may use multiple threads to process requests from more than one client simultaneously Windows provides mechanisms for sharing data and resources between processes and flexible interprocess communication capabilities Windows Objects Windows draws heavily on the concepts of objectoriented design Key object-oriented concepts used by Windows are: Encapsulation Object class and instance Inheritance Polymorphism W n is w o d K rn e lC o O tb s c je 改善和提高: 工程学改进 建立在可被单独测试的层次上，降低复杂性 性能提高 减少内存需求总量 可靠性提高 能耗功耗降低 安全性 线程改进 支持数百个CPUs 动态公平共享调度机制(DFSS) 传统的UNIX Bell Labs，PDP-7， 1970 吸收了很多Multics的思想 移植到PDP-11上，第一个里程碑 第二个里程碑：用C语言重写UNIX 阐明了用高级语言写系统代码的优点 1974年首次发表在学术期刊上 Bell Labs之外使用的版本是Version 6，1976 Version 7是大多数现代UNIX的先驱，1978 最重要的non-AT&T 系统是UNIX BSD (Berkeley Software Distribution) UNIX的 一般结构 传统的 UNIX Kernel 现代 UNIX System V版本4， 简称SVR4 4.x BSD 4.4BSD FreeBSD Mac OS X Solaris 10 用于IBM PC的UNIX变体 Linus Torvalds实现最初版本 Linux was first posted on the Internet in 1991 可运行在各种平台的、具有 UNIX 全面功能的系统 免费、源代码可获得 成功的关键在于FSF赞助的自由软件包。 GNU， GPL 高度模块化并容易配置 Loadable Modules 在一大块代码中实现了所有 操作系统的功能，作为单一 进程运行，具有唯一地址空 间 相对独立的块 是一个可在内核运行时加载或 卸载的对象 内核所有组件能访问所有内 部数据结构和例程 当前运行的进程会加载模块在 内核态下执行 Linux的结构是一系列 module的结合 两个重要特征: 动态链接Dynamic linking 可堆栈模块Stackable modules Linux Kernel Modules Linux内核组件 Linux Signals Table 2.5 Some Linux Signals Linux Vserver 虚拟机结构 Linux服务器下实现Opensource, fast, lightweight的虚 拟机服务 只需要一份Linux内核的拷 贝 支持许多相互隔离的虚拟服 务器 Involves four elements: chroot – UNIX or Linux command to make the root directory become something other than its default chcontext – allocates a new security context chbind – executes a command and locks the resulting process and its children into using a specific IP address capabilities – a partitioning of the privileges available to a root user Linux Vserver体系结构 OS的目标和功能: convenience, efficiency, ability to evolve user/computer interface resource manager 发展: serial processing, simple batch systems, multiprogrammed batch systems, time sharing systems Microsoft Windows/Windows 7 UNIX/Linux systems Process Memory management real address, virtual address Scheduling and resource management Multithreading Symmetric multiprocessing (SMP) distributed OS object oriented design Virtual machines virtualization http://robocup.csu.edu.cn 中南大学轨道交通安全运行与控制研究所->课程建 设->《操作系统原理》2014课件 如果文章有密码，密码是os2104