UNI操作系統(tǒng)導(dǎo)論講義課程

操作系統(tǒng)原理馮耀霖E-mail:fengyaolin5@126.com課程說明

●理論教學(xué)內(nèi)容（講義）

Unit1操作系統(tǒng)導(dǎo)論8Unit2進(jìn)程與線程8Unit3進(jìn)程通信6Unit4進(jìn)程同步8Unit5死鎖2Unit6實(shí)存管理4Unit7虛存管理8Unit8文件管理10Unit9設(shè)備管理6附：操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備知識（自學(xué)）●實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本課程的實(shí)驗(yàn)平臺是Linux操作系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)1熟悉Linux環(huán)境實(shí)驗(yàn)2進(jìn)程的創(chuàng)建與并發(fā)執(zhí)行（一）實(shí)驗(yàn)3進(jìn)程的創(chuàng)建與并發(fā)執(zhí)行（二）實(shí)驗(yàn)4線程的創(chuàng)建與并發(fā)實(shí)驗(yàn)5信號與管道通信實(shí)驗(yàn)6線程同步（一）實(shí)驗(yàn)7線程同步（二）實(shí)驗(yàn)8分區(qū)內(nèi)存管理具體內(nèi)容見《OS2013_操作系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)》

CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的心臟，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大腦。半個(gè)多世紀(jì)以來，操作系統(tǒng)吸引了世界上一群最熱情、最有智慧的杰出人才、集中了人類現(xiàn)代創(chuàng)造性思維活動的精髓。操作系統(tǒng)是軟件世界的萬花筒、博覽會，是軟件王國中的一頂璀璨的皇冠。能夠有機(jī)會走進(jìn)操作系統(tǒng)這個(gè)神奇、復(fù)雜而又充滿誘惑的大千世界，理解其中的基本概念、結(jié)構(gòu)和奧妙的管理機(jī)制是十分幸運(yùn)的。Unit1操作系統(tǒng)導(dǎo)論操作系統(tǒng)原理——馮耀霖內(nèi)容●什么是操作系統(tǒng)●操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展●操作系統(tǒng)的基本概念§1

什么是操作系統(tǒng)◆操作系統(tǒng)定義◆操作系統(tǒng)的資源管理功能◆為什么要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)1.1操作系統(tǒng)的定義

操作系統(tǒng)＝OperatingSystem（OS）

操作系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語聽上去很稀松平常，并不給人任何興奮的感覺，甚至有點(diǎn)“土”，原因在于中文的“操作”這個(gè)詞。提到操作員（工），通常讓人想起操作機(jī)床、起重機(jī)等各種設(shè)備或工具的穿著油膩工作服的藍(lán)領(lǐng)工人（計(jì)算機(jī)操作員充其量也就是藍(lán)領(lǐng)中的白領(lǐng)），自然讓人興奮不起來。將Operating翻譯為中文的“操作”，是因?yàn)樽畛醯淖g者沒有真正理解英文Operatingsystem所蘊(yùn)含的精髓。

Operating？

圖1-1對Operating的誤讀那么，英文中的Operatingsystem實(shí)際意味著什么？我們先看兩個(gè)有關(guān)的英文術(shù)語。

OperatingSurgeon：外科主刀大夫。在整個(gè)手術(shù)過程中，主刀大夫具有至高無上的權(quán)威：他說要打麻藥，麻醉師就要趕緊打麻藥；他說需要手術(shù)鉗，助理大夫就趕忙遞給他手術(shù)鉗；他說需要止血，護(hù)士就得馬上拿止血藥棉來止血。整個(gè)手術(shù)最關(guān)鍵的部分：切開皮膚、拿掉器官、安裝移植器官等均由主刀大夫完成。當(dāng)然，主刀大夫有時(shí)也會將某些任務(wù)，如縫合創(chuàng)口交給助理大夫來做，但整個(gè)手術(shù)的過程皆由其主控。一句話，OperatingSurgeon就是掌控整個(gè)手術(shù)過程、具有精湛技術(shù)和敏銳判斷力的醫(yī)師。

OperatingPerson：操刀手，操控者。是操控／掌控事情的人。從OperatingSurgeon和和OperatingPerson這這兩兩個(gè)個(gè)術(shù)術(shù)語語的的語語義義我我們們可可理理解解Operating具具有有““掌控控”的的含含義義。。因因此此，，應(yīng)應(yīng)該該把把Operatingsystem理理解解為為：：Operatingsystem＝掌控控局局勢勢的的一一種種系系統(tǒng)統(tǒng)這個(gè)個(gè)術(shù)術(shù)語語是是專專為為計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的（（IBM）），，指指的的是是計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)里里的的一一切切事事情情均均由由OS來掌掌控控。正如如任任何何一一種種有有效效的的組組織織或或系系統(tǒng)統(tǒng)都都會會有有一一個(gè)個(gè)核核心心機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)存存在在，，該該核核心心管管理理著著該該組組織織或或系系統(tǒng)統(tǒng)的的可可用用資資源源，，掌掌控控著著系系統(tǒng)統(tǒng)的的正正常常運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。。OS就是是計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)中中的的核核心心機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)，，它它是是計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)軟軟件件精精英英們們設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的一一種種大大型型和和極極其其復(fù)復(fù)雜雜的的軟軟件件系系統(tǒng)統(tǒng)，，用用于于代代替替人人并并以以人人的的思思維維方方式式來來自自動動管管理理計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)上上的的所有有軟軟、、硬硬資資源源，，掌掌控控在在計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)上上可可能能發(fā)發(fā)生生的的一一切切事事情情。。那么么，，操作作系系統(tǒng)統(tǒng)到到底底是是什什么么？？操作作系系統(tǒng)統(tǒng)到到底底掌掌控控什什么么事事情情？？●操作作系系統(tǒng)統(tǒng)是是一一種種大大型型系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件計(jì)算算機(jī)機(jī)軟軟件件有有應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件與與系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件之之分分。。應(yīng)用用軟軟件件是是計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)用用戶戶為為了了應(yīng)應(yīng)用用計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)解解決決某某一一特特定定問問題題而而開開發(fā)發(fā)的的軟軟件件。。系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件則則是是與與具具體體應(yīng)應(yīng)用用邏邏輯輯無無關(guān)關(guān)的的軟軟件件，，是是應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件的的開開發(fā)發(fā)和和運(yùn)運(yùn)行行平平臺臺。。系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件一一般般分分為為四四類類：：①①操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)；；②②語語言言處處理理系系統(tǒng)統(tǒng)（（編編譯譯程程序序、、解解釋釋程程序序））；；③③軟軟件件開開發(fā)發(fā)實(shí)實(shí)用用工工具具（（編編輯輯、、調(diào)調(diào)試試、、診診斷斷檢檢測測、、CASE等等程程序序））；；④④數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫管管理理系系統(tǒng)統(tǒng)（（DBMS））。。其其中中，，操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)也也稱稱系系統(tǒng)統(tǒng)管管理理軟軟件件，，其其他他則則為為系系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件。。操作作系系統(tǒng)統(tǒng)是是規(guī)規(guī)模模最最大大的的系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件，，如如WindowsXP>4000萬萬行行源源代代碼碼，，而而一一些些Linux系系統(tǒng)統(tǒng)的的規(guī)規(guī)模模則則更更大大，，已已達(dá)達(dá)到到上上億億行行源源代代碼碼。。1.操作作系系統(tǒng)統(tǒng)到到底底是是什什么么？？???●操作作系系統(tǒng)統(tǒng)是是系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件中中的的核核心心圖1-2是是一一個(gè)個(gè)簡簡略略的的計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)視視圖圖。。從從中中可可清清楚楚地地看看到到計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)的的層層次次結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。硬件件是是操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)存存在在的的物物質(zhì)質(zhì)基基礎(chǔ)礎(chǔ)。。硬硬件件向向軟軟件件提提供供的的是是物物理理機(jī)機(jī)器器界界面面（（interface）），，即即機(jī)機(jī)器器的的指指令令系系統(tǒng)統(tǒng)。。操作作系系統(tǒng)統(tǒng)是是加加在在““裸裸機(jī)機(jī)””（（純純硬硬件件））上上的的第第一一層層軟軟件件（（最最底底層層軟軟件件）），，是是直直接接建建筑筑在在硬硬件件上上的的軟軟件件，，它它使使用用機(jī)機(jī)器器指指令令實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對對硬硬件件的的管管理理和和控控制制。。操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)常常駐駐內(nèi)內(nèi)存存，，它它覆覆蓋蓋了了所所有有的的硬硬件件特特性性和和功功能能，，通通過過各各種種抽象象，構(gòu)構(gòu)建建了了一一個(gè)個(gè)功功能能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)強(qiáng)于于裸裸機(jī)機(jī)且且易易用用的的““操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)虛虛擬擬機(jī)機(jī)””（（如如Windows虛虛擬擬機(jī)機(jī)、、Linux虛虛擬擬機(jī)機(jī)））。。操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)向向上上層層提提供供了了兩兩種種界界面面：：用用戶戶操操作作界界面面（（操操作作命命令令））和和編編程程界界面面硬件件操作作系系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件應(yīng)用用軟軟件件用戶戶物理理機(jī)機(jī)器器界界面面編程程界界面面用戶戶操操作作界界面面圖1-2計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)視視圖圖計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)（系系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)調(diào)用用））。。它它們們向向上上層層掩掩蓋蓋了了所所有有的的硬硬件件特特性性細(xì)細(xì)節(jié)節(jié)。。系統(tǒng)應(yīng)用軟件件處于操作系系統(tǒng)的上層，，它們不是常常駐內(nèi)存的，，而是存放在在磁盤等外存存設(shè)備上，僅僅當(dāng)需要運(yùn)行行這些軟件時(shí)時(shí)，才把它們們加載到內(nèi)存存，并在操作作系統(tǒng)的支持持下工作，通通過系統(tǒng)調(diào)用用獲取操作系系統(tǒng)提供的各各種服務(wù)。系系統(tǒng)應(yīng)用軟件件有效地?cái)U(kuò)充充了計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)的功能，，它與操作系系統(tǒng)一起組成成系統(tǒng)軟件整整體，起到了了簡化程序設(shè)設(shè)計(jì)、擴(kuò)大計(jì)計(jì)算機(jī)處理能能力、提高計(jì)計(jì)算機(jī)使用效效率、充分發(fā)發(fā)揮各種資源源功能的作用用。因此，可可以把系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用軟件看作作是操作系統(tǒng)統(tǒng)的延伸，甚甚至可把它們們看作是操作作系統(tǒng)的一部部分（如Linux發(fā)行行版）。但是是系統(tǒng)應(yīng)用軟軟件與操作系系統(tǒng)的不同之之處在于，其其運(yùn)行環(huán)境與與普通應(yīng)用軟軟件一樣，它它們?nèi)匀恍枰ㄟ^操作系統(tǒng)才能使用用和控制系統(tǒng)統(tǒng)資源。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層層次結(jié)構(gòu)的最最上層是應(yīng)用用軟件。它們們在系統(tǒng)軟件件的支持下運(yùn)運(yùn)行，通過系系統(tǒng)調(diào)用獲取取各種系統(tǒng)軟軟件的服務(wù)。。用戶在終端上上通過輸入各各種操作命令令（字符命令令或圖形命令令）使用操作作系統(tǒng)虛擬機(jī)機(jī)?？梢姡辛瞬俨僮飨到y(tǒng)，用用戶和所有非非操作系統(tǒng)程程序不再直接接面對物理機(jī)機(jī)器界面，而而是面對操作作系統(tǒng)提供的的掩蓋了所有有硬件特性細(xì)細(xì)節(jié)的虛擬機(jī)機(jī)界面，通過過這種虛擬機(jī)機(jī)界面方便地地使用功能被被大大強(qiáng)化了了的操作系統(tǒng)統(tǒng)虛擬機(jī)。例如，如果用用戶在裸機(jī)上上直接編程是是很困難的，，因?yàn)楦鞣N數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移都需需要用戶自己己來控制，對對不同設(shè)備要要用不同命令來驅(qū)動動，而這對一一般人來說是是很難勝任的的。操作系統(tǒng)統(tǒng)將這些工作作從用戶手中中接過來，從從而讓用戶感感覺到編程是是一件容易的的事（相對來來說，而對有有些人來說編編程永遠(yuǎn)是很很難的）。又如，操作系系統(tǒng)通過進(jìn)程程抽象讓計(jì)算算機(jī)的每一個(gè)個(gè)用戶感覺到到有一臺自己己獨(dú)享的CPU；通過虛虛擬內(nèi)存的抽抽象，讓用戶戶感覺到物理理內(nèi)存空間具具有無限擴(kuò)張張性?？傊?，通過操操作系統(tǒng)對裸裸機(jī)的各種抽抽象，可魔幻幻般地實(shí)現(xiàn)：：少變多、難難變易、弱變變強(qiáng)。●操作系統(tǒng)是最最基本的系統(tǒng)統(tǒng)軟件任何現(xiàn)代計(jì)算算機(jī)都必須配配置和安裝操操作系統(tǒng)。在在一臺計(jì)算機(jī)上你可可以不安裝某某些系統(tǒng)應(yīng)用用軟件，如語語言處理系統(tǒng)統(tǒng)或DBMS，但操作系系統(tǒng)是必須安安裝的，否則則，計(jì)算機(jī)就就根本無法開開始工作。計(jì)計(jì)算機(jī)加電啟啟動時(shí)，除了了必要的硬件件檢測，首先先將操作系統(tǒng)統(tǒng)加載到內(nèi)存存并啟動，此此后，計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)的一切切工作都在操操作系統(tǒng)的掌掌控下進(jìn)行。。作為最基本的的系統(tǒng)軟件，，操作系統(tǒng)為為所有的其它它軟件（包括括系統(tǒng)應(yīng)用軟軟件）提供了了一個(gè)開發(fā)和和運(yùn)行的基礎(chǔ)礎(chǔ)平臺，即所所有的其他軟軟件都需要在在操作系統(tǒng)這這個(gè)平臺上進(jìn)進(jìn)行開發(fā)，并并在操作系統(tǒng)統(tǒng)的掌控下運(yùn)運(yùn)行，通過操操作系統(tǒng)獲取取所需的計(jì)算算機(jī)資源。沒有操作系統(tǒng)統(tǒng)任何軟件都都無法運(yùn)行。什么是抽象？？所謂抽象（abstract），就是根本本上存在但現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中不存在在的東西。抽抽象來源于具具體，但又超超越具體。例例如繪畫史上上有抽象派，，抽象畫所表表現(xiàn)的就是現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中不存在在的東西，但但這些東西確確實(shí)又來源于于現(xiàn)實(shí)。抽象畫01抽象畫02：：畢加索《格格爾尼卡》》2.操作系統(tǒng)到底底掌控什么事事情？當(dāng)然是計(jì)算機(jī)機(jī)上或計(jì)算機(jī)機(jī)里發(fā)生的一一切事情。最原始的計(jì)算算機(jī)并沒有操操作系統(tǒng)，而而是直接由人人來掌控事情情。但是隨著著計(jì)算機(jī)復(fù)雜雜性的增長，，人們已經(jīng)不不能直接掌控控計(jì)算機(jī)了，，于是人們編編寫出操作系系統(tǒng)這個(gè)軟件件來掌控計(jì)算算機(jī)，將人類類從日益復(fù)雜雜的任務(wù)中解解脫出來。這這個(gè)“掌控””有著多層深深遠(yuǎn)的意義。。首先，由于計(jì)計(jì)算機(jī)的功能能和復(fù)雜性不不斷發(fā)生變化化（趨向更加加復(fù)雜），操操作系統(tǒng)所掌掌控的事情也也就越來越多多，越來越復(fù)復(fù)雜。同時(shí)，，操作系統(tǒng)本本身能夠使用用的資源也不不斷增多（如如內(nèi)存容量））。???其次，既然操操作系統(tǒng)是專專門掌控計(jì)算算機(jī)的，那么么計(jì)算機(jī)上發(fā)發(fā)生的所有事事情自然需要要操作系統(tǒng)的的知曉和許可可，未經(jīng)操作作系統(tǒng)同意的的任何事情均均視為非法，，包括用戶和和應(yīng)用程序中中的誤操作，，以及病毒和和入侵攻擊試試圖運(yùn)作的事事情。操作系系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員員當(dāng)然要確保保計(jì)算機(jī)不發(fā)發(fā)生任何他們們不知情或不不同意的事情情。雖然，操操作系統(tǒng)是由由Top級軟軟件精英們設(shè)設(shè)計(jì)的，但是是人的能力畢畢竟是有限的的，人的思維維也是有缺陷陷的，只要是是由人設(shè)計(jì)出出的系統(tǒng)自然然不會十全十十美，缺陷是是難免的，這這就給了攻擊擊者可乘之機(jī)機(jī)。操作系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與與攻擊者之間間的博弈是當(dāng)當(dāng)前驅(qū)動操作作系統(tǒng)不斷改改善的一個(gè)重重要動力。再次，掌控事事情的水平有有高低之分，，有效率不同同之分，就像外科主主刀大夫之間間也有水平高高低之分。為為了更好地掌掌控事情，更更好地滿足人人們永不滿足足的各種越來來越苛刻的需需求，操作系系統(tǒng)自然需要要不斷改善，，且將一直繼繼續(xù)下去。歸結(jié)起來，操操作系統(tǒng)掌控控的事情主要要有兩大類：：資源管理和安全性管理。操作系統(tǒng)管理理計(jì)算機(jī)中的的所有資源，，包括硬件資資源（設(shè)備資資源）和軟件件資源（信息息資源）。硬硬件資源可大大致分為四類類：CPU、、內(nèi)存、外存存及I/O設(shè)設(shè)備。操作系系統(tǒng)通過各種種策略提高硬硬件資源的工工作效率和利利用率，改善善和優(yōu)化計(jì)算算機(jī)的功能和和性能。軟件件資源就是存存儲在計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)的各種文文件，操作系系統(tǒng)要對文件件實(shí)施有效的的保護(hù)，提供供快速的文件件查找，通過過共享提高文文件資源的利利用率。安全性管理功功能主要解決決兩個(gè)問題：：(1)確保保操作系統(tǒng)自自身的正常運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)，即確保保操作系統(tǒng)自自己不能出現(xiàn)現(xiàn)崩潰性故障障，這是計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)能正正常工作的基基礎(chǔ)；(2)防止止非法操作和和非法入侵，，主要是防止止病毒和入侵侵攻擊。其中的第二個(gè)個(gè)問題是是安安全性管理需需要解決的主主要問題。隨隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)應(yīng)用的越來越越廣泛和深入入，操作系統(tǒng)統(tǒng)需要管理的的資源也越來來越多且越來來越復(fù)雜，故故對操作系統(tǒng)統(tǒng)的要求也越越來越高。由由于操作系統(tǒng)統(tǒng)存在缺陷是是難免的，這這就給了攻擊擊者可乘之機(jī)機(jī)。針對對操操作系統(tǒng)的攻攻擊，操作系系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員員在不斷改進(jìn)進(jìn)操作系統(tǒng)的的安全性，這這種操作系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與攻擊者者之間的博弈弈，使得操作作系統(tǒng)安全水水平和攻擊水水平不斷交替替上升，永不不會停止。如如今安全性管管理越來越受受到操作系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的的重視，其重重要性越來越越突出。如果我們把整整個(gè)計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)比擬成一一個(gè)國家的話話，操作系統(tǒng)統(tǒng)就相當(dāng)于是是管理整個(gè)國國家的政府，，是國家最高高的政務(wù)管理理機(jī)構(gòu)。好了，至此我我們可以給出出操作系統(tǒng)的的一個(gè)定義了了：★操作系統(tǒng)是最最關(guān)鍵的系統(tǒng)統(tǒng)軟件，它掌掌控計(jì)算機(jī)上上的一切事情情，包括：管管理所有的計(jì)計(jì)算機(jī)資源，，維持計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)的安全全及有序運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，并為用戶戶使用計(jì)算機(jī)機(jī)提供方便且且有效的環(huán)境境。1.2操作系統(tǒng)的資資源管理功能能資源管理是操操作系統(tǒng)的主主要功能，它它遵循著一切切人類資源管管理的基本目目的，即如何何有效地發(fā)掘掘資源、監(jiān)控控資源、分配配資源和回收收資源，而其其中的核心是是分配資源。。公平和有效，，是操作系統(tǒng)統(tǒng)資源管理的的基本原則。。公平指的是每個(gè)用用戶進(jìn)程（進(jìn)展／運(yùn)行行中的程序））都有享有系系統(tǒng)資源的權(quán)權(quán)利（就像““天賦人權(quán)””），系統(tǒng)要要讓各個(gè)用戶戶進(jìn)程感到某某種平等，即系統(tǒng)不能能“無限”延延長對任一進(jìn)進(jìn)程的資源請請求的響應(yīng)時(shí)時(shí)間。當(dāng)然真正的公公平是沒有的的事，這很像像人類生活的的現(xiàn)實(shí)，不過過追求公平乃是是人類的本能能，是PSJZ觀。只有有公平了，才才能談得上公公正與和諧。在虛擬世界界里盡可能公公平一點(diǎn)還是是非常應(yīng)該的的，至少應(yīng)該該是操作系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的不不懈追求。有效就是指不能浪浪費(fèi)系統(tǒng)資源源，要使資源源盡可能被充充分地利用，，發(fā)揮出每個(gè)個(gè)資源的最大大效能。有效也為公平平提供了必要要的支持。這這同樣也像人人類生活的現(xiàn)現(xiàn)實(shí)，一個(gè)社社會／國家如如果存在著大大量的資源浪浪費(fèi)，而浪費(fèi)費(fèi)必定和腐敗敗聯(lián)系在一起起，一個(gè)腐敗成風(fēng)風(fēng)的社會能是是一個(gè)公平、、公正的社會會嗎？總之，公平與效率是是操作系統(tǒng)資資源管理中永永恒的主題。到底是效率率重要？還是是公平更重要要？天平的不不同傾斜將引引出不同的管管理模式。操作系統(tǒng)的資資源管理功能能一般分為四四個(gè)子系統(tǒng)：：進(jìn)程管理、、內(nèi)存管理、、外存管理及及設(shè)備管理。。1.進(jìn)程管理進(jìn)程（process）可簡簡單地理解為為“運(yùn)行中的的程序”，其其實(shí)質(zhì)是操作系統(tǒng)對對CPU的抽象。進(jìn)程管理的的主要目的有有三個(gè)：第一一是公平分配，即每個(gè)進(jìn)程程都有機(jī)會使使用到CPU；第二是非阻塞，即任何進(jìn)程程不能無休止止地阻撓其他他進(jìn)程的正常常推進(jìn)，如果果一個(gè)進(jìn)程在在執(zhí)行過程中中需要I/O或者因別的的什么事情而而發(fā)生阻塞，，這個(gè)阻塞不不能妨礙無關(guān)關(guān)進(jìn)程繼續(xù)前前進(jìn)，就像人人類世界，缺缺了誰地球都都照樣轉(zhuǎn)；第第三是優(yōu)先級調(diào)度，在人類生活活中人的地位位不是完全一一樣的，地位位高的就比地地位低的具有有更高的資源源獲取權(quán)及占占有權(quán)，OS設(shè)計(jì)者把人人類生活中的的這種關(guān)系搬搬到操作系統(tǒng)統(tǒng)里面，就有有了優(yōu)先級的的概念，即賦賦予某些進(jìn)程程有較高的優(yōu)優(yōu)先級，如果果優(yōu)先級高的的進(jìn)程需要執(zhí)執(zhí)行，則優(yōu)先先級低的進(jìn)程程就要讓出CPU。2.內(nèi)存管理內(nèi)存管理一般般是管理由主主存和緩存所所形成的內(nèi)存存架構(gòu)。為了了有力地支持持多進(jìn)程并發(fā)發(fā)以及應(yīng)用程程序不斷增大大的需求，OS設(shè)計(jì)者發(fā)發(fā)明了虛擬內(nèi)存的概念，即通通過軟件技術(shù)術(shù)將物理內(nèi)存存邏輯擴(kuò)充到到磁盤上，這這樣就極大地地增大了物理理內(nèi)存空間。。因此，現(xiàn)代代操作系統(tǒng)管管理的實(shí)際上上是由主存、、緩存及磁盤盤所形成的虛虛擬內(nèi)存架構(gòu)構(gòu)。內(nèi)存管理要解解決的問題之之一是如何給給不同的用戶戶進(jìn)程分配內(nèi)內(nèi)存空間；要要解決的另一一個(gè)問題是怎怎樣讓很多用用戶進(jìn)程共用用同一個(gè)物理理內(nèi)存，這就就需要對物理理內(nèi)存進(jìn)行分分割和保護(hù)，，每個(gè)進(jìn)程占占用一個(gè)受保保護(hù)的內(nèi)存空空間，一個(gè)進(jìn)進(jìn)程不能訪問問另一個(gè)進(jìn)程程所占用的內(nèi)內(nèi)存空間，即即進(jìn)程不能越越界。3.外存管理外存管理也稱稱文件系統(tǒng)管管理或文件管管理。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)對對外存介質(zhì)（（磁盤、磁帶帶、光盤）的的抽象。文件則是對外存空空間單位的抽抽象。外存管理要解解決的的問題題之一是如何何分配外存空空間給不同的的進(jìn)程。要解解決的另一個(gè)個(gè)問題是怎樣樣將外存變成成一個(gè)很容易易使用的存儲儲介質(zhì)提供給給用戶使用，，使得用戶在在訪問外存時(shí)時(shí)無需了解外外存設(shè)備的物物理屬性或程程序和數(shù)據(jù)在在外存空間上上的精確位置置，例如磁盤盤上的磁道、、磁柱、扇區(qū)區(qū)等。磁盤是是最重重要的的外存存介質(zhì)質(zhì)，是是外存存管理理的重重點(diǎn)。。4.設(shè)備管管理設(shè)備管管理就就是管管理I/O設(shè)備備，其其主要要目的的有三三個(gè)：：其一，，解決決如何何給不不同的的進(jìn)程程分配配I/O設(shè)設(shè)備；；其二，，屏蔽蔽不同同設(shè)備備的差差異性性，即即使得得進(jìn)程程可以以用同同樣的的方式式訪問問不同同的設(shè)設(shè)備，，從而而降低低編程程的難難度；；其三，，提供供并發(fā)發(fā)訪問問，即即將那那些看看上去去并不不具備備共享享特性性的設(shè)設(shè)備（（如打打印機(jī)機(jī)）變變得可可以共共享。。1.3為什么么要學(xué)學(xué)習(xí)操操作系系統(tǒng)我們已已明確確了OS的的重要要性，，但僅僅僅因因?yàn)楹芎苤匾鸵灰欢ㄒ獙W(xué)習(xí)習(xí)它嗎嗎？世世界上上重要要的事事情多多去了了，難難道我我們都都要學(xué)學(xué)習(xí)嗎嗎？即即使是是計(jì)算算機(jī)專專業(yè)的的學(xué)生生，不不學(xué)OS也也照樣樣可以以編程程寫軟軟件。。那我我們?yōu)闉槭裁疵匆獙W(xué)學(xué)呢？？當(dāng)然然我們們可以以有一一千個(gè)個(gè)理由由，在在這里里僅提提出兩兩個(gè)。。1)OS都是是由軟軟件界界中的的Top精精英們們開發(fā)發(fā)的，，它的的優(yōu)秀秀設(shè)計(jì)計(jì)和經(jīng)經(jīng)典思思路是是計(jì)算算機(jī)科科學(xué)知知識的的薈精精集萃萃，會會給我我們以以激濁濁揚(yáng)清清的思思考，，對OS的的掌握握程度度，決決定著著計(jì)算算機(jī)專專業(yè)學(xué)學(xué)習(xí)者者的發(fā)發(fā)展水水平及及方向向。舉例說說：①OS的的功能能在很很多IT領(lǐng)領(lǐng)域都都使用用。如如果你你做并并發(fā)程程序的的開發(fā)發(fā)———WebService、、分布布式系系統(tǒng)和和網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，，你會會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，這這些領(lǐng)領(lǐng)域大大量使使用了了OS的概概念和和技術(shù)術(shù)。如如果你你學(xué)好好了OS，，你就就可以以對你你要做做的事事情更更加有有信心心。②OS的的技巧巧也在在很多多領(lǐng)域域使用用，如如抽象象、緩緩存、、并發(fā)發(fā)等。。如數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)和和程序序設(shè)計(jì)計(jì)就大大量使使用了了抽象象，記記得抽抽象數(shù)數(shù)據(jù)類類型和和抽象象類嗎嗎？很很多地地方都都用緩緩存，，你做做Web要要不要要用緩緩存呢呢？這這些你你都得得做。。如果果學(xué)好好了OS，，你就就掌握握了這這些內(nèi)內(nèi)容，，觸類類旁通通，你你學(xué)習(xí)習(xí)別的的東西西時(shí)就就會容容易多多了。。2)更更重重要的的是OS真真的很很有意意思。。對于于一個(gè)個(gè)計(jì)算算機(jī)專專業(yè)的的人來來說，，難道道你不不想知知道自自己寫寫的程程序到到底是是如何何在計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)上運(yùn)運(yùn)行的的嗎？？很多人人買車車后第第一件件事是是什么么？打打開前前蓋。。打開開前蓋蓋看到到的是是什么么呢？？馬達(dá)達(dá)、變變速箱箱。為為什么么第一一件事事要打打開前前蓋呢呢？因因?yàn)楹煤闷孢@這輛車車是怎怎么開開動的的。那么么，，對對于于一一個(gè)個(gè)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)特特別別是是軟軟件件專專業(yè)業(yè)的的人人來來說說，，有有沒沒有有在在看看到到一一臺臺計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的時(shí)時(shí)候候，，想想過過為為什什么么計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)能能進(jìn)進(jìn)行行計(jì)計(jì)算算？？為為什什么么計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)能能有有條條不不紊紊的的運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)？？多多數(shù)數(shù)人人恐恐怕怕沒沒有有打打開開過過計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)外外殼殼。。不不過過，，沒沒有有打打開開過過也也不不用用遺遺憾憾，，因因?yàn)闉榧醇词故鼓隳惆寻延?jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)后后蓋蓋打打開開，，還還是是不不能能明明白白計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)是是怎怎么么運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的，，此此時(shí)時(shí)只只看看到到一一堆堆硬硬件件：：主主板板、、芯芯片片、、布布線線等等，，而而這這些些硬硬件件并并不不會會告告訴訴你你太太多多有有關(guān)關(guān)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的信信息息。。如如果果真真的的想想知知道道計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)到到底底是是怎怎么么運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的，，你你就就得得學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)OS。。雖然然學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)OS很很有有趣趣，，但但并并不不是是所所有有人人都都有有這這樣樣的的感感覺覺，，因因?yàn)闉镺S的的特特點(diǎn)點(diǎn)是是概概念念多多、、抽抽象象和和涉涉及及面面廣廣，，而而從從整整體體實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)上上看看，，其其思思想想和和技技術(shù)術(shù)又又往往往往令令““我我們們””難難于于理理解解。。歷歷史史證證明明，，對對很很多多人人來來說說學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)OS是是一一件件很很痛痛苦苦的的事事情情。。不不過過本本人人希希望望我我們們在在一一起起學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)這這門門課課程程對對大大家家來來說說是是一一件件樂樂事事，，難難道道窺窺探探計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)的的奧奧秘秘不不是是一一件件激激動動人人心心的的事事嗎嗎？？§2操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的形形成成與與發(fā)發(fā)展展◆操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的發(fā)發(fā)展展歷歷史史◆操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的分分類類◆操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的未未來來發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢2.1操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的發(fā)發(fā)展展歷歷史史操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的形形成成與與發(fā)發(fā)展展由由兩兩個(gè)個(gè)基基本本因因素素驅(qū)驅(qū)動動：：■硬硬件件成成本本的的不不斷斷下下降降；；■計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的功功能能和和復(fù)復(fù)雜雜性性不不斷斷提提升升。。硬件件成成本本的的不不斷斷降降低低，，就就以以硬硬盤盤為為例例，，IBM制制造造的的第第一一張張硬硬磁磁盤盤直直徑徑達(dá)達(dá)2米米，，造造價(jià)價(jià)100多多萬萬美美元元，，而而容容量量只只有有1MB；；而而現(xiàn)現(xiàn)在在一一個(gè)個(gè)容容量量100GB的的硬硬盤盤成成本本只只有有幾幾十十美美元元。。當(dāng)當(dāng)然然，，過過去去的的硬硬盤盤和和今今天天的的硬硬盤盤的的制制造造技技術(shù)術(shù)完完全全不不同同，，早早期期硬硬盤盤的的質(zhì)質(zhì)量量堅(jiān)堅(jiān)挺挺，，可可以以當(dāng)當(dāng)作作咖咖啡啡桌桌來來使使用用，，而而現(xiàn)現(xiàn)在在的的硬硬盤盤片片根根本本不不能能承承受受重重物物。。計(jì)算算機(jī)機(jī)硬硬件件及及其其組組成成的的發(fā)發(fā)展展速速度度從從一一開開始始就就很很驚驚人人。。最最初初，，計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的組組件件雖雖然然巨巨大大，，但但數(shù)數(shù)量量少少，，功功能能簡簡單單，，現(xiàn)現(xiàn)在在，，一一臺臺計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)里里包包括括的的元元件件數(shù)數(shù)量量實(shí)實(shí)在在是是太太多多了了。。硬件件成成本本的的下下降降和和計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)復(fù)復(fù)雜雜性性的的提提高高推推動動了了操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的演演變變。。成成本本降降低低意意味味著著同同樣樣的的價(jià)價(jià)格格可可以以買買到到更更為為先先進(jìn)進(jìn)的的計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)。。而而計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)復(fù)復(fù)雜雜性性的的提提高高自自然然需需要要操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)的的能能力力也也得得到到提提高高。。就就是是這這些些變變化化使使得得操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)從從最最初初的的僅僅僅僅只只有有幾幾百百或或幾幾千千行行源源代代碼碼發(fā)發(fā)展展到到今今天天的的多多達(dá)達(dá)幾幾千千萬萬行行到到上上億億行行源源代代碼碼。。操作系統(tǒng)統(tǒng)之所以以越來越越復(fù)雜的的基本因因素是因因?yàn)橛布|(zhì)量和和數(shù)量的的不斷提提升使得得操作系系統(tǒng)管理理的東西西增多，，而且人人類永不不滿足的的各種越越來越苛苛刻的要要求也使使得操作作系統(tǒng)的的復(fù)雜性性不斷增增加。除了上述述兩個(gè)基基本驅(qū)動動因素，，在操作作系統(tǒng)的的發(fā)展過過程中，，效率率和公平平始終是是操作系系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)人員追追求的關(guān)關(guān)鍵目標(biāo)，它們們是導(dǎo)致致操作系系統(tǒng)越來來越復(fù)雜雜的重要要因素。。另外，還還有一個(gè)個(gè)附加因因素影響響著操作作系統(tǒng)的的發(fā)展，，這就是是操作系系統(tǒng)和攻攻擊者之之間的博博弈。這這個(gè)世界界上總有有些人想想利用計(jì)計(jì)算機(jī)的的缺陷來來進(jìn)行各各種損人人利己或或損人又又不利己己的活動動。操作作系統(tǒng)在在最初設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)就就根本沒沒有想到到會有人人從事破破壞活動動。大概概因?yàn)樵缭缙诘挠?jì)計(jì)算機(jī)工工作者認(rèn)認(rèn)為到達(dá)達(dá)能夠使使用計(jì)算算機(jī)的水水平的人人都是好好人，是是君子，，是紳士士，無需需設(shè)計(jì)任任何安全全機(jī)制。。這樣，，在后來來發(fā)現(xiàn)有有人試圖圖利用計(jì)計(jì)算機(jī)進(jìn)進(jìn)行不良良操作時(shí)時(shí)，就迫迫不得已已修改操操作系統(tǒng)統(tǒng)，使其其具有安安全上的的防范功功能。每每當(dāng)操作作系統(tǒng)改改進(jìn)了安安全性，，攻擊者者也會改改良他們們的攻擊擊手段，，這樣循循環(huán)往復(fù)復(fù)，就造造成操作作系統(tǒng)安安全水平平和攻擊擊水平不不斷交替替上升的的歷史。。第零代：：SOSC操作系統(tǒng)統(tǒng)（20世世紀(jì)40年代））SOSC（SingleOperator,SingleConsole單操作員員單控制制臺）控制方方式是最最原始的的計(jì)算機(jī)機(jī)控制方方式，用用于第一一代電子子計(jì)算機(jī)機(jī)，如ENIAC。當(dāng)當(dāng)時(shí)并沒沒有操作作系統(tǒng)的的整體概概念，人人們能夠夠想到的的最直觀觀的控制制計(jì)算機(jī)機(jī)的方式式，就是是提供一一些標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的人機(jī)機(jī)交互命命令供用用戶（當(dāng)當(dāng)時(shí)的用用戶既是是編程者者也是操操作員））使用，，這些標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)命令令的集合合就構(gòu)成成了SOSC標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)數(shù)庫。這這可認(rèn)為為是操作系統(tǒng)統(tǒng)的最原原始形式式。SOSC的設(shè)計(jì)目目的就是是滿足基基本的功功能，并并提供人人機(jī)交互互。在SOSC下，任何何時(shí)候只只能做一一件事。。即不支支持并發(fā)發(fā)和多道道程序運(yùn)運(yùn)行。SOSC本身只是是一組標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)庫函函數(shù)而已已，并不不自我運(yùn)運(yùn)行，而而是等待待響應(yīng)用用戶輸入入的命令令，然后后加載相相應(yīng)的庫庫函數(shù)來來執(zhí)行。。用戶想想使用什什么服務(wù)務(wù)，就輸輸入代表表該服務(wù)的的庫函數(shù)數(shù)名即可可。這種種控制方方式的資資源利用用率很低低：用戶戶輸入一一個(gè)命令令就執(zhí)行行一個(gè)SOSC庫函數(shù)數(shù)，撥一一下動一一下；當(dāng)當(dāng)用戶在在思考時(shí)時(shí)或進(jìn)行行輸入輸輸出時(shí)，，CPU則靜靜靜地等待待。當(dāng)然然了，從從人的角角度來看看，效率率并不低低，你輸輸入什么么，計(jì)算算機(jī)就立立即執(zhí)行行什么。。但從機(jī)機(jī)器的角角度考慮慮，因?yàn)闉镃PU時(shí)刻都都等著人人相對很很慢的動動作，效效率就太太低了。。由于這個(gè)個(gè)時(shí)代的的計(jì)算機(jī)機(jī)很稀少少，整個(gè)個(gè)世界也也只有幾幾臺，而而人卻不不是，提提高計(jì)算算機(jī)的利利用率就就變得十十分重要要。第一代：：批處理理操作系系統(tǒng)（20世紀(jì)50年代）為了提高高SOSC的效率，，人們提提出了““批處理”的概念念。在仔仔細(xì)考察察了SOSC后，人們們發(fā)現(xiàn)，，SOSC效率之所所以低下下，是因因?yàn)橛?jì)算算機(jī)總是是在等待待人的下下一步動動作，而而人的動動作總是是很慢。。因此，，人們覺覺得如果果取消人人的因素素，讓所所有的用用戶先想想好自己己要運(yùn)行行的命令令，列成成一個(gè)清清單（稱稱作業(yè)說明明書），再把把要運(yùn)行行的程序序、數(shù)據(jù)據(jù)連同作作業(yè)說明明書一起起制作（（穿孔））在紙帶帶／卡片片上，然然后將制制作好的的紙帶／／卡片交交給計(jì)算算機(jī)管理理員來一一批一批批地處理理，效率率不就提提高了嗎嗎？這就就形成了了批處理理操作系系統(tǒng)。批處理針針對的是是第二代代通用計(jì)計(jì)算機(jī)，，如IBM的1401和7094等，通過過取消用用戶與計(jì)計(jì)算機(jī)的的直接人人機(jī)交互互達(dá)到CPU和輸入輸輸出設(shè)備備利用率率的改善善。批處理的的過程是是：用戶戶將自己己的作業(yè)（＝程序＋＋數(shù)據(jù)＋＋作業(yè)說說明書）制作在在穿孔卡卡片／紙紙帶上，，交給計(jì)計(jì)算機(jī)管管理員；；管理員員在收到到一定數(shù)數(shù)量的用用戶作業(yè)業(yè)后，將將卡片／／紙帶上上的作業(yè)業(yè)通過輸輸入輸出出衛(wèi)星機(jī)機(jī)IBM1401讀入，并并寫入到到磁帶（（輸入磁磁帶）上上，這樣樣每盤輸輸入磁帶帶通常會會含有多多個(gè)用戶戶作業(yè)；；然后，，計(jì)算機(jī)機(jī)操作員員將這盤盤磁帶裝裝入到作作為主機(jī)機(jī)的IBM7094上，由駐駐留在IBM7094上的批處理監(jiān)監(jiān)控程序序（batchmonitor）順序解解釋執(zhí)行行各用戶戶作業(yè)，，實(shí)現(xiàn)了了作業(yè)之之間的自自動切換換，作業(yè)業(yè)運(yùn)行的的結(jié)果被被寫入另另一個(gè)磁磁帶（輸輸出磁帶帶）上；；所有的的用戶作作業(yè)運(yùn)行行結(jié)束后后，將輸輸出磁帶帶取下來來，裝到到衛(wèi)星機(jī)機(jī)IBM1401上進(jìn)行結(jié)結(jié)果打印印；然后后就可以以將打印印結(jié)果交交給各個(gè)個(gè)用戶了了。圖1-3描述了批批處理的的過程。。圖1-3批處處理系統(tǒng)統(tǒng)示意圖圖批處理監(jiān)監(jiān)控程序序和原先先就有的的標(biāo)準(zhǔn)函函數(shù)庫就就組成了了批處理理操作系系統(tǒng)。（不過過，那時(shí)時(shí)還沒有有出現(xiàn)““操作系系統(tǒng)”這這個(gè)術(shù)語語）很顯然，，批處理理操作系系統(tǒng)的功功能和復(fù)復(fù)雜性較較之SOSC均得到了了提升。。批處理操操作系統(tǒng)統(tǒng)開始具具備了初初步的系系統(tǒng)管理理功能：：■設(shè)備管管理——讀卡機(jī)、、磁帶機(jī)機(jī)、打印印機(jī)等I/O設(shè)備的驅(qū)驅(qū)動；■文件管管理——首次引入入了文件件概念，，每個(gè)用用戶作業(yè)業(yè)被抽象象成一個(gè)個(gè)文件；；■解釋執(zhí)執(zhí)行作業(yè)業(yè)說明書書；■實(shí)現(xiàn)各各用戶作作業(yè)之間間的自動動切換。。批處理操操作系統(tǒng)統(tǒng)一般被被認(rèn)為是是操作系統(tǒng)統(tǒng)的雛形形，后也被被稱之為為單道批批處理操操作系統(tǒng)統(tǒng)，一般般把它稱稱之為第第一代操操作系統(tǒng)統(tǒng)。其重要實(shí)實(shí)例有IBM開發(fā)的FMS和IBSYS，密歇根根大學(xué)開開發(fā)的UMES，分別運(yùn)運(yùn)行于IBM7090和IBM7094。驅(qū)動這個(gè)個(gè)階段操操作系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)展的的動力是是改善效效率。因?yàn)闄C(jī)機(jī)器的昂昂貴，使使得CPU在操作員員思考或或I/O設(shè)備工作作期間閑閑置起來來是難以以容忍的的。第二代：：多道批處處理操作作系統(tǒng)（20世世紀(jì)60年代））雖然批處處理操作作系統(tǒng)通通過無需需人機(jī)交交互過程程而在一一定程度度上提高高了計(jì)算算機(jī)的效效率，但但還是不不那么令令人滿意意。因?yàn)闉?，它只只支持一一個(gè)用戶戶作業(yè)進(jìn)進(jìn)入內(nèi)存存運(yùn)行，，且CPU和I/O設(shè)備的運(yùn)運(yùn)行是串串行的，，即在程程序進(jìn)行行輸入輸輸出時(shí)，，CPU只能等待待，CPU需要不斷斷地探詢詢I/O是否完成成，因而而不能執(zhí)執(zhí)行別的的程序。。由于昂昂貴的CPU的速度要要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高高于I/O設(shè)備，故故CPU常常處于于閑置狀狀態(tài)，其其浪費(fèi)是是很大的的。為此，人人們又設(shè)設(shè)想，能能否將CPU和I/O設(shè)備并行行工作呢呢？即在在一個(gè)程程序進(jìn)行行輸入輸輸出時(shí)，，讓CPU去執(zhí)行另另一個(gè)程程序，換換言之，，能否將將CPU和I/O設(shè)備的運(yùn)運(yùn)行重疊疊起來從從而改善善整個(gè)計(jì)計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)的效效率呢？？答案是是肯定的的，不過過需要付付出代價(jià)價(jià)，因?yàn)闉镃PU和I/O重疊需要要我們將將多個(gè)程程序同時(shí)加載到到計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)存里里，由此此，引出出了多道程序序設(shè)計(jì)（multiprogramming）的思想想。多道程序序設(shè)計(jì)是指允許許多個(gè)程程序同時(shí)時(shí)進(jìn)入計(jì)計(jì)算機(jī)內(nèi)內(nèi)存并發(fā)發(fā)運(yùn)行的的方法。。也就是是說，計(jì)計(jì)算機(jī)內(nèi)內(nèi)存中可可同時(shí)存存放多道道（兩個(gè)個(gè)或以上上）相互互獨(dú)立的的程序，，它們均均處于起起點(diǎn)和終終點(diǎn)之間間，通過過操作系系統(tǒng)的調(diào)調(diào)度使各各道程序序輪流交交替地使使用CPU。當(dāng)現(xiàn)行程程序啟動動I/O并需要等等待I/O的完成時(shí)時(shí)，操作作系統(tǒng)可可立即調(diào)調(diào)度CPU去執(zhí)行另另一個(gè)駐駐留在內(nèi)內(nèi)存中的的程序，，使得CPU與I/O設(shè)備并行行工作，，利用這這種多部部件的并并行工作作，使系系統(tǒng)可同同時(shí)運(yùn)行行多個(gè)不不同的程程序。從從而可大大大減少少CPU的閑置時(shí)時(shí)間，充充分提高高了CPU的利用率率。例如，假假設(shè)一個(gè)個(gè)程序用用20%的時(shí)間間使用CPU進(jìn)進(jìn)行計(jì)算算，另外外80%的時(shí)間間用來進(jìn)進(jìn)行I/O。則則在單道道系統(tǒng)中中，CPU的利利用率只只有20%；但但如果同同時(shí)運(yùn)行行兩個(gè)這這樣的程程序，則則CPU的利用用率將提提高到36%（（CPU只在兩兩個(gè)程序序同時(shí)進(jìn)進(jìn)行I/O時(shí)才才處于閑閑置狀態(tài)態(tài)，因此此CPU的利用用率為1－0.8×0.8=36%）），這里里忽略了了程序切切換所需需要的系系統(tǒng)開銷銷。同理理，如果果同時(shí)運(yùn)運(yùn)行3個(gè)個(gè)這樣的的程序，，CPU利用率率將提高高到48.8%；4個(gè)個(gè)程序的的CPU利用率率將為59%；；5個(gè)程程序的CPU利利用率將將為67.2%。這樣樣，隨著著程序道道數(shù)的增增加，CPU利利用率將將逐步提提升，直直到某個(gè)個(gè)臨界點(diǎn)點(diǎn)為止。。這個(gè)臨臨界點(diǎn)就就是多道道程序設(shè)設(shè)計(jì)的上上限，超超過這個(gè)個(gè)上限，，多道程程序設(shè)計(jì)計(jì)的好處處將逐步步消失，，甚至呈呈下降趨趨勢。圖1-4多道道編程度度數(shù)、I/O時(shí)時(shí)間和CPU利利用率的的關(guān)系將多道程程序設(shè)計(jì)計(jì)思想引引入到批批處理操操作系統(tǒng)統(tǒng)便形成成了多道道批處理理操作系系統(tǒng)。顯顯而易易見，比比起簡單單批處理理多道批批處理操操作系統(tǒng)統(tǒng)的功能能要強(qiáng)得得多，但但也要復(fù)復(fù)雜得多多：既要要管理多多個(gè)作業(yè)業(yè)，又要要管理內(nèi)內(nèi)存，還還要管理理CPU調(diào)度。但多道批處理操操作系統(tǒng)構(gòu)建建了操作系統(tǒng)統(tǒng)的基本架構(gòu)構(gòu)，奠定了操操作系統(tǒng)的基基本理論，操操作系統(tǒng)也因因此而成就了了一門獨(dú)立學(xué)學(xué)科。驅(qū)動多道批處處理操作系統(tǒng)統(tǒng)的問世及發(fā)發(fā)展的動力仍仍然是改善效效率。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的的CPU非常常昂貴，人們們不能容忍CPU在I/O設(shè)備工作作期間被閑置置下來。同時(shí)時(shí)，用戶對計(jì)計(jì)算機(jī)的需求求也開始多了了起來，從純純粹的科學(xué)計(jì)計(jì)算發(fā)展到商商業(yè)應(yīng)用。因因此，這個(gè)階階段還伴隨著滿足足用戶不斷增增長的需求。藍(lán)色巨人IBM對多道批處理理操作系統(tǒng)的的問世作出了了巨大貢獻(xiàn)。。在1961年年底，IBM開始實(shí)施“360系統(tǒng)電子計(jì)算算機(jī)計(jì)劃”，，整個(gè)計(jì)劃投投資約50億美元（而““曼哈頓工程程”才花了20億），超過了了當(dāng)時(shí)IBM一年的產(chǎn)值。。在人力上，，光軟件工程程師就投入了了2000多名。IBM在實(shí)施360計(jì)劃時(shí)，首次次正式提出了了OperatingSystem這個(gè)術(shù)語，并并開發(fā)出了一一個(gè)真正的多多道批處理操操作系統(tǒng)OS/360，這是一個(gè)不不僅從理念上上也從技術(shù)上上都是劃時(shí)代的操作作系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)展史上的的一個(gè)里程碑。隨著OS/360的問世，誕生生了一批嶄新新的概念和術(shù)術(shù)語，如：多多道程序設(shè)計(jì)計(jì)、任務(wù)（進(jìn)進(jìn)程）、調(diào)度度、并發(fā)、作作業(yè)管理、CPU管理、內(nèi)存管管理、設(shè)備管管理、文件管管理等，它們們構(gòu)成了操作作系統(tǒng)理論的的基礎(chǔ)。同時(shí)時(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)應(yīng)用從純科學(xué)學(xué)計(jì)算應(yīng)用開開始進(jìn)入了商商業(yè)應(yīng)用。圖靈獎獲得者者（1999））FrederickBrooks圖1-5OS/360總設(shè)計(jì)師師第三代之一：：分時(shí)操作系系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代）多道批處理操操作系統(tǒng)的出出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)機(jī)的效率（主主要是吞吐量量）大大提高高。但它的一一大問題是用用戶是“脫機(jī)機(jī)”（Offline）使用計(jì)算算機(jī)的，用戶戶無法即時(shí)獲獲知其程序的的運(yùn)行結(jié)果。。想想如果你你編了一個(gè)程程序，卻需要要別人去運(yùn)行行，并可能要要等上若干天天才能知道結(jié)結(jié)果，這個(gè)滋滋味顯然不好好受。萬一計(jì)計(jì)算機(jī)管理員員疏忽了，忘忘記運(yùn)行你的的作業(yè)，或者者操作錯(cuò)誤，，導(dǎo)致程序丟丟失，情況就就更糟。另外外，脫機(jī)性也也大大限制了了計(jì)算機(jī)的商商業(yè)性應(yīng)用。。為此，人們又又設(shè)想，能否否讓用戶回到到計(jì)算機(jī)前面面來，由每個(gè)個(gè)用戶自己操操作和控制自自己的程序。。隨著符號鍵盤盤、顯示器等等計(jì)算機(jī)終端端設(shè)備的問世世，人們的這這種設(shè)想的實(shí)實(shí)現(xiàn)成為了可可能。批處理系統(tǒng)是是對SOSC的否定，而而這種想法的的提出是對SOSC的否否定之否定。。人的因素又又引了回來，，這看上去與與原始的SOSC似乎一一樣，但有個(gè)個(gè)關(guān)鍵的不同同：多個(gè)用戶戶同時(shí)與計(jì)算算機(jī)聯(lián)機(jī)（On-line），每個(gè)個(gè)用戶被看作作只是一個(gè)I/O終端而而已。即每個(gè)個(gè)用戶都擁有有一個(gè)聯(lián)機(jī)終終端（顯示器器＋鍵盤），，它們都通過過RS232串行線纜與與計(jì)算機(jī)主機(jī)機(jī)連接，終端端只能發(fā)送和和接收有限的的文本命令和和信息。操作作系統(tǒng)在所有有的聯(lián)機(jī)用戶戶之間進(jìn)行CPU分時(shí)，即一次分給給一個(gè)用戶進(jìn)進(jìn)程有限的CPU時(shí)間———時(shí)間片，只要時(shí)間片片一完，就立立即切換一個(gè)個(gè)用戶進(jìn)程，，給該進(jìn)程分分配一個(gè)CPU時(shí)間片。。就是基于這這種基本思想想，引來了第第三代操作系系統(tǒng)——分時(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。。在分時(shí)操作系系統(tǒng)下，任意意時(shí)間可以運(yùn)運(yùn)行多個(gè)程序序，且用戶直直接與計(jì)算機(jī)機(jī)交互，現(xiàn)場場調(diào)試程序，，這就和SOSC不一樣樣了。在SOSC下，一一切等著人，，計(jì)算機(jī)執(zhí)行行一條命令就就等人。分時(shí)時(shí)系統(tǒng)則是人人等計(jì)算機(jī)。。這個(gè)模式帶帶來一個(gè)直接接的結(jié)果就是是計(jì)算機(jī)再不不用等你，等等你想問題時(shí)時(shí)機(jī)器就切換換到別的程序序，等你想完完了機(jī)器再切切換回來，接接受你的再次次輸入。就這這樣，計(jì)算機(jī)機(jī)就在很多人人之間來回切切換，你輸入入個(gè)命令就響響應(yīng)，然后切切換走。如果果時(shí)間掌握的的好，用戶輸輸入完一個(gè)命命令計(jì)算機(jī)正正好轉(zhuǎn)回來，，用戶就沒有有等待的感覺覺。當(dāng)然，如如果一個(gè)用戶戶打字足夠快快，可能會覺覺得計(jì)算機(jī)慢慢；如果打字字較慢，就有有可能覺得計(jì)計(jì)算機(jī)很快。。不同的人感感覺有可能完完全不同。圖1-6分分時(shí)系統(tǒng)示示意圖顯然，與前前面幾代的的操作系統(tǒng)統(tǒng)相比，分分時(shí)操作系系統(tǒng)要復(fù)雜雜得多。相相比于多道道批處理操操作系統(tǒng)，，最主要的的變化是資源的公平平管理。在多道批批處理下，，公平不公公平?jīng)]有人人知道，大大家遞交了了作業(yè)后只只管回家等等結(jié)果。至至于自己的的程序排在在誰前面誰誰后面，或或者占用了了多少CPU時(shí)間是是無關(guān)緊要要的?，F(xiàn)在在，大家都都坐在計(jì)算算機(jī)終端前前面，任何何的不公平平將立即感感覺到。因因此，公平平地管理用用戶的CPU時(shí)間就就變得非常常重要。驅(qū)動這個(gè)階階段操作系系統(tǒng)發(fā)展的的動力是響響應(yīng)時(shí)間和和對越來越越多資源的的管理。因?yàn)闄C(jī)器器昂貴，不不能容忍CPU在I/O設(shè)備備工作期間間閑置下來來。同時(shí)，，因?yàn)槿说牡臅r(shí)間寶貴貴，不能容容忍用戶坐坐在機(jī)器前前進(jìn)行漫長長的等待。。因此，人人們發(fā)明了分時(shí)時(shí)操作系統(tǒng)統(tǒng)來解決這這兩個(gè)問題題。此外，，分時(shí)操作作系統(tǒng)還需需要應(yīng)對競競爭、同步步、互斥、、通信、死死鎖、保護(hù)護(hù)等一系列列的新問題題，使得分時(shí)操作系系統(tǒng)變得空空前復(fù)雜，，進(jìn)一步完完善了操作作系統(tǒng)的基基本理論。對分時(shí)操操作系統(tǒng)的的研發(fā)成為為了當(dāng)時(shí)計(jì)計(jì)算機(jī)界的的最大熱門門，競爭十十分激烈。。最為著名的的分時(shí)操作作系統(tǒng)是由由AT&T的貝爾實(shí)實(shí)驗(yàn)室、麻麻省理工學(xué)學(xué)院（MIT）及數(shù)數(shù)字設(shè)備公公司（DEC）三家家合作開發(fā)發(fā)的Multics分時(shí)操作作系統(tǒng)和貝貝爾實(shí)驗(yàn)室室開發(fā)的Unix分分時(shí)操作系系統(tǒng)。Unix后后來演變成成了兩大系系列：SystemⅤ（AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室）和BSD（加洲大學(xué)學(xué)伯克利分分校）。成功分時(shí)操操作系統(tǒng)的的典范無疑疑當(dāng)推UNIX，它是史上上第一個(gè)用用高級程序序設(shè)計(jì)語言言（C語言）編寫寫的操作系系統(tǒng)，并成成功運(yùn)行于于PDP、VAX、CRAY等當(dāng)時(shí)的主主流機(jī)器上上，其發(fā)明明者因此而而獲得了圖圖靈獎。UNIX的問世極大大地推動了了操作系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展，，奠定了操操作系統(tǒng)理理論和技術(shù)術(shù)的架構(gòu)，，是操作系系統(tǒng)發(fā)展史史上的一個(gè)個(gè)偉大的里里程碑，對對操作系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)產(chǎn)生著巨大大和深遠(yuǎn)的的影響。發(fā)發(fā)展到今天天，UNIX仍久經(jīng)不衰衰，表現(xiàn)出出它的強(qiáng)大大生命力，，它已從一一個(gè)分時(shí)操操作系統(tǒng)發(fā)發(fā)展成為““通用”操操作系統(tǒng)，，成為了跨跨越從微型型機(jī)到巨型型機(jī)范圍的的唯一操作作系統(tǒng)，被被譽(yù)為是操操作系統(tǒng)的的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。（貴族族）圖靈獎（1983））獲得者肯?湯普遜UNIX發(fā)發(fā)明者丹尼斯?里奇C語言發(fā)明明者圖1-7UNIX與C語語言的發(fā)明明者第三代之二二：實(shí)時(shí)操操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系系統(tǒng)是專門門為計(jì)算機(jī)機(jī)實(shí)時(shí)應(yīng)用用系統(tǒng)（簡簡稱實(shí)時(shí)系系統(tǒng)）而開開發(fā)的。實(shí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要要求計(jì)算機(jī)機(jī)對某些實(shí)實(shí)時(shí)過程進(jìn)進(jìn)行監(jiān)視，，并在需要要的時(shí)刻及及時(shí)采取動動作。實(shí)時(shí)時(shí)系統(tǒng)具備備一個(gè)特點(diǎn)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)機(jī)對相關(guān)實(shí)實(shí)時(shí)過程必必須在規(guī)定定時(shí)間內(nèi)作作出響應(yīng)，，不然就有有可能發(fā)生生事故或?yàn)?zāi)災(zāi)難。例如，在工工業(yè)裝配線線上，當(dāng)一一個(gè)部件從從流水線上上的一個(gè)工工作站流到到下一個(gè)工工作站時(shí)，，這個(gè)工作作站上的操操作必須在在規(guī)定時(shí)間間內(nèi)完成，，否則就有有可能造成成流水線癱癱瘓。又例例如，在導(dǎo)導(dǎo)彈防衛(wèi)系系統(tǒng)中，對對來襲導(dǎo)彈彈的軌跡計(jì)計(jì)算必須在在規(guī)定時(shí)間間內(nèi)完成，，否則就有有可能被來來襲導(dǎo)彈擊擊中而無法法作出反應(yīng)應(yīng)。其他如如航空飛行行控制系統(tǒng)統(tǒng)、核反應(yīng)應(yīng)堆狀態(tài)監(jiān)監(jiān)視系統(tǒng)、、化學(xué)反應(yīng)應(yīng)堆監(jiān)視系系統(tǒng)等。這里必須清清楚一個(gè)概概念：實(shí)時(shí)時(shí)系統(tǒng)并不不一定是響響應(yīng)很快的的系統(tǒng)，而而是其響應(yīng)具有有時(shí)序可預(yù)預(yù)測性的系統(tǒng)。當(dāng)當(dāng)然了，在在實(shí)際中實(shí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)通通常是響應(yīng)應(yīng)很快的系系統(tǒng)，但這這是實(shí)時(shí)系系統(tǒng)的一個(gè)個(gè)結(jié)果，而而不是其定定義。顯然，實(shí)時(shí)時(shí)操作系統(tǒng)統(tǒng)的最重要要部分就是是作業(yè)調(diào)度度或進(jìn)程調(diào)調(diào)度，只有有精確、合合理和及時(shí)時(shí)的進(jìn)程調(diào)調(diào)度才能保保證響應(yīng)時(shí)時(shí)間。當(dāng)然然，對資源源的管理也也非常重要要，沒有精精密復(fù)雜的的資源管理理，確保進(jìn)進(jìn)程按時(shí)完完成就成為為一句空話話。另外，，基于其使使用環(huán)境，，實(shí)時(shí)操作作系統(tǒng)對可可靠性和可可用性的要要求也非常常高。如果果在這些方方面出了問問題，時(shí)序序可預(yù)測性性將無法達(dá)達(dá)到。第四代：現(xiàn)現(xiàn)代操作系系統(tǒng)（1980年至今））自20世紀(jì)紀(jì)80年代代起，計(jì)算算機(jī)工業(yè)獲獲得了井噴噴式的發(fā)展展，各種計(jì)計(jì)算機(jī)和操操作系統(tǒng)不不斷出現(xiàn)和和發(fā)展，計(jì)計(jì)算機(jī)和操操作系統(tǒng)領(lǐng)領(lǐng)域均進(jìn)入入到了一個(gè)個(gè)百花齊放放、百家爭爭鳴的時(shí)代代，尤其是是工作站和和PC機(jī)的的出現(xiàn)，使使計(jì)算機(jī)大大為普及。。這個(gè)時(shí)代代的操作系系統(tǒng)代表有有：DOS、Windows、Linux、UNIX和和各種主機(jī)機(jī)操作系統(tǒng)統(tǒng)，如VM、MVS等。隨著微電子子技術(shù)的飛飛速發(fā)展，，計(jì)算機(jī)硬硬件越來越越便宜，個(gè)個(gè)人電腦（（PC）出出現(xiàn)在人們們的視野中中。人們可可以擁有自自己的電腦腦，無需與與他人分享享。由于PC機(jī)由用用戶一個(gè)人人獨(dú)享，分分時(shí)操作系系統(tǒng)的許多多功能就無無需存在，，因此，PC機(jī)操作系統(tǒng)統(tǒng)又變回到了了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)數(shù)庫系統(tǒng)。。初期的PC操作系系統(tǒng)是單用用戶單任務(wù)務(wù)的，這類類OS最有有名的是DOS、Windows3x、MacOS（（蘋果機(jī)操操作系統(tǒng)））等。但在獨(dú)享了了一陣PC機(jī)后，人人們發(fā)現(xiàn)，，沒有分時(shí)時(shí)功能的操操作系統(tǒng)使使一些事情情做不了，，因?yàn)殡m然然只有一個(gè)個(gè)人在用計(jì)計(jì)算機(jī)，但但他可能想想同時(shí)運(yùn)行行幾個(gè)程序序，而沒有有分時(shí)功能能這是不可可能的。于于是，人們們覺得需要要對PC機(jī)機(jī)操作系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行改善善，將各種種有關(guān)的分分時(shí)功能又又加了進(jìn)去去，形成了了單用戶多多任務(wù)的PC操作系系統(tǒng)，如windows2000/xp、Xenix、Ulttrix、MacOSX。推動PC電電腦的迅猛猛發(fā)展的一一個(gè)重要因因素是操作作系統(tǒng)圖形形用戶界面面（GUI）的出現(xiàn)現(xiàn)。傳統(tǒng)操操作系統(tǒng)的的用戶操作作界面都是是字符／文文本用戶界界面。蘋果果公司率先先開發(fā)出了了實(shí)用的GUI，并并應(yīng)用在它它的MacOS操操作系統(tǒng)上上。微軟大大量抄襲了MacOS的GUI技術(shù)而形形成了最為為流行的GUI———Windows。。圖形用戶戶界面的出出現(xiàn)對操作作系統(tǒng)的發(fā)發(fā)展產(chǎn)生了了深遠(yuǎn)的影影響?，F(xiàn)在在一般認(rèn)為為GUI的的技術(shù)和標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是由蘋蘋果公司打打下的基礎(chǔ)礎(chǔ)。但正確確地說，GUI技術(shù)術(shù)實(shí)際上是是由施樂帕帕羅奧托研研究中心創(chuàng)創(chuàng)始的。這個(gè)時(shí)代的的另外一個(gè)個(gè)重要特征征是網(wǎng)絡(luò)的的出現(xiàn)和興興起。網(wǎng)絡(luò)絡(luò)觸發(fā)了網(wǎng)絡(luò)操作系系統(tǒng)和分布式操作作系統(tǒng)的出現(xiàn)。計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)有（普通通）計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分分布式系統(tǒng)統(tǒng)之分，分分布式系統(tǒng)統(tǒng)是種特殊殊的計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)操作系系統(tǒng)是為計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)開發(fā)的，，分布式操操作系統(tǒng)則則是為分布布式系統(tǒng)開開發(fā)的。分分布式系統(tǒng)統(tǒng)與計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主主要區(qū)別不不在于它們們的物理結(jié)結(jié)構(gòu)上，而而是在操作作系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)統(tǒng)與計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的差差別：■計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)一般采采用客戶/服務(wù)務(wù)器(Client/Server)模式；而分分布式系統(tǒng)統(tǒng)采用的是是對等（Peer-to-Peer）模式，即網(wǎng)網(wǎng)中的站點(diǎn)點(diǎn)機(jī)沒有主主次之分，，每一個(gè)站站點(diǎn)既可作作為客戶機(jī)機(jī)，又可作作為服務(wù)器器?！鲈谟?jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，