操作系統(tǒng)理論

操作系統(tǒng)理論知識(shí)作者：Ares[12534756]2006-06-2619:13操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是一個(gè)大型的軟件系統(tǒng)，他的基本功能就是資源管理和方便用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(提供用戶接口)。資源管理功能包括處理器管理，存儲(chǔ)器管理，設(shè)備管理，文件管理，用戶接口包括作業(yè)級(jí)接口，程序級(jí)接口。操作系統(tǒng)是裸機(jī)上的第一層軟件，通過控制和管理計(jì)算機(jī)硬件資源，為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)就是并發(fā)，共享，異步，和虛擬。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般有兩種：層次結(jié)構(gòu)，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，微內(nèi)核是操作系統(tǒng)發(fā)展方向。操作系統(tǒng)(OperatingSystem,簡稱OS)是管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部硬件資源包括軟件資源及數(shù)據(jù)資源；控制程序運(yùn)行；改善人機(jī)界面；為其它應(yīng)用軟件提供支持等，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務(wù)界面。操作系統(tǒng)通常是最靠近硬件的一層系統(tǒng)軟件，它把硬件裸機(jī)改造成為功能完善的一臺(tái)虛擬機(jī)，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用和管理更加方便，計(jì)算機(jī)資源的利用效率更高，上層的應(yīng)用程序可以獲得比硬件提供的功能更多的支持。操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，大致包括5個(gè)方面的管理功能:進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理。目前微機(jī)上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows2000、Netware等。計(jì)算機(jī)資源可分為兩大類：硬件資源和軟件資源。硬件資源指組成計(jì)算機(jī)的硬設(shè)備，如中央處理機(jī)、主存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、打印機(jī)、顯示器、鍵盤輸入設(shè)備等。軟件資源主要指存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的各種數(shù)據(jù)和程序。系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源都由操作系統(tǒng)根據(jù)用戶需求按一定的策略分配和調(diào)度。操作系統(tǒng)的處理器管理根據(jù)一定的策略將處理器交替地分配給系統(tǒng)內(nèi)等待運(yùn)行的程序。操作系統(tǒng)的設(shè)備管理負(fù)責(zé)分配和回收外部設(shè)備，以及控制外部設(shè)備按用戶程序的要求進(jìn)行操作。操作系統(tǒng)的文件管理向用戶提供創(chuàng)建文件、撤消文件、讀寫文件、打開和關(guān)閉文件等功能。操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理功能是管理內(nèi)存資源。主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的分配與回收，存儲(chǔ)保護(hù)以及內(nèi)存擴(kuò)充。操作系統(tǒng)的作業(yè)管理功能是為用戶提供一個(gè)使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能有效地組織自己的工作流程，并使整個(gè)系統(tǒng)高效地運(yùn)行。今天的操作系統(tǒng)至2005年為止，用于通用計(jì)算機(jī)上的分布的操作系統(tǒng)主要兩個(gè)家族：類Unix家族和微軟Windows家族。而主機(jī)系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)使用多樣的系統(tǒng)，并且很多和Windows、Unix都沒有直接的聯(lián)系。類Unix家族包括多個(gè)組織的操作系統(tǒng)，其中有幾個(gè)主要的子類包括SySTemV、BSD和Linux。這里'Unix'是一個(gè)商標(biāo)，開發(fā)組織允許使用操作系統(tǒng)在一個(gè)定義前提下自由地開發(fā)。這名字是通用大型設(shè)置操作系統(tǒng)類似組織Unix。Unix系統(tǒng)運(yùn)行在從巨型機(jī)到嵌入式系統(tǒng)的多種機(jī)器架構(gòu)上。Unix主要使用于重要的商務(wù)服務(wù)器系統(tǒng)以及學(xué)院和工程環(huán)境中的工作站之上。和AT&AMp;TUnix不同，自由軟件比如Linux和BSD逐步開始流行，并且開始進(jìn)入桌面操作系統(tǒng)領(lǐng)域。和一些Unix操作系統(tǒng)不同，像惠普公司的HPUX和IBM公司的AIX是設(shè)計(jì)僅運(yùn)行在客戶購買的設(shè)備上，其中有一些特殊的（比如SUN公司的Solaris）可以運(yùn)行在客戶購買設(shè)備和基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PC上。APPLE公司的MACOSX是一個(gè)BSD特例，以取代早期小型市場(chǎng)上的蘋果公司MacOS，眾多流行的Unix操作系統(tǒng)正在走向一體。微軟公司的Windows操作系統(tǒng)家族起源于早期的IBMPC環(huán)境中的MS-DOS，現(xiàn)在版本是基于新的WindowsNT內(nèi)核，第一次是在OS/2中制定。和Unix不同，Windows只能運(yùn)行在32位和64位的x86CPU（如Intel或者AMD的芯片）上，盡管早期有版本運(yùn)行于DECAlpha，MIPS和PowerPC體系結(jié)構(gòu)。今天Windows是一個(gè)流行的操作系統(tǒng)，在全球桌面市場(chǎng)中占有90%左右的份額，同時(shí)在中低端服務(wù)器市場(chǎng)也有廣泛的應(yīng)用，如Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。大型機(jī)系統(tǒng)，比如IBM公司的Z/OS,和嵌入式操作系統(tǒng)比如QNX、eCOs和PalmOS都是和Unix和Windows無關(guān)的操作系統(tǒng)，而WindowsCE、WindowsNTEmbedded4.0和WindowsXPEmbedded都是和Windows相關(guān)的。老的操作系統(tǒng)停留在市場(chǎng)包括類似IBMWindows的OS/2、來自惠普的VMS（以前的DEC）;蘋果公司的MacOS操作系統(tǒng)、非Unix先驅(qū)蘋果公司MacOSX，以及AmiGAOS，第一個(gè)圖形用戶界面的操作系統(tǒng)，包括對(duì)于普通用戶的高級(jí)的多媒體能力。功能操作系統(tǒng)位于底層硬件與用戶之間，是兩者溝通的橋梁。用戶可以通過操作系統(tǒng)的用戶界面，輸入命令。操作系統(tǒng)則對(duì)命令進(jìn)行解釋，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用戶要求。結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)理論研究者有時(shí)把操作系統(tǒng)分成四大部分：驅(qū)動(dòng)程序-最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分，它們的職責(zé)是隱藏硬件的具體細(xì)節(jié)，并向其他部分提供一個(gè)抽象的、通用的接口。內(nèi)核-操作系統(tǒng)之最核心部分，通常運(yùn)行在最高特權(quán)級(jí)，負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)性、結(jié)構(gòu)性的功能。支承庫-(亦作“接口庫”)是一系列特殊的程序庫，它們指責(zé)在于把系統(tǒng)所提供的基本服務(wù)包裝成應(yīng)用程序所能夠使用的編程接口(API),是最靠近應(yīng)用程序的部分。例如，GNUC運(yùn)行期庫就屬于此類，它把各種操作系統(tǒng)的內(nèi)部編程接口包裝成ANSIC和POSIX編程接口的形式。外圍-所謂外圍，是指操作系統(tǒng)中除以上三類以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高級(jí)服務(wù)的部件。例如，在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，大部分系統(tǒng)服務(wù)，以及UNIX/Linux中各種守護(hù)進(jìn)程都通常被劃歸此列。當(dāng)然，本節(jié)所提出的四部結(jié)構(gòu)觀也絕非放之四海皆準(zhǔn)。例如，在早期的微軟視窗操作系統(tǒng)中，各部分耦合程度很深，難以區(qū)分彼此。而在使用外核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)中，則根本沒有驅(qū)動(dòng)程序的概念。因而，本節(jié)的討論只適用于一般情況，具體特例需具體分析。操作系統(tǒng)中四大部分的不同布局，也就形成了幾種整體結(jié)構(gòu)的分野。常見的結(jié)構(gòu)包括：簡單結(jié)構(gòu)、層結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)、和虛擬機(jī)(VirtualMachine)結(jié)構(gòu)。簡單結(jié)構(gòu)很多商用操作系統(tǒng)都沒有清晰的整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的各個(gè)部件混雜在一起。這些操作系統(tǒng)往往是由很小的實(shí)驗(yàn)性的項(xiàng)目逐步演化而來的，因而宏觀結(jié)構(gòu)非常模糊。MS-DOS就是一個(gè)很好的例子，在設(shè)計(jì)之初，MS-DOS的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在比較有限的硬件資源上運(yùn)行比較有限的應(yīng)用程序，開發(fā)人員很可能都沒有預(yù)料到它日后在市場(chǎng)上的巨大成功，因而模塊之間的相對(duì)獨(dú)立性幾乎被忽略。相似的情況也發(fā)生在UNIX家族之中。早期的UNIX因?yàn)槭芟抻诋?dāng)時(shí)的硬件能力，也一直都是采用非常簡單的、隨著UNIX的不斷發(fā)展這樣結(jié)構(gòu)也很快成為了UNIX演進(jìn)的瓶頸。其它采用這種簡單結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)還包括PalmOS5以前的PalmOS，以及很多其他的小型的嵌入式操作系統(tǒng)。內(nèi)核結(jié)構(gòu)內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心最基礎(chǔ)的構(gòu)件，因而，內(nèi)核結(jié)構(gòu)往往對(duì)操作系統(tǒng)的外部特性以及應(yīng)用領(lǐng)域有著一定程度的影響。盡管隨著理論和實(shí)踐的不斷演進(jìn)，操作系統(tǒng)高層特性與內(nèi)核結(jié)構(gòu)之間的耦合有日趨縮小之勢(shì)，但習(xí)慣上，內(nèi)核結(jié)構(gòu)仍然是操作系統(tǒng)分類之常用標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)核的結(jié)構(gòu)可以分為單內(nèi)核(monolithickernel)、微內(nèi)核(miCRokernel)、超微內(nèi)核(nanokernel)、以及外核(exokernel)等。詳情參見操作系統(tǒng)內(nèi)核。單內(nèi)核結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)中各核心部件雜然混居的形態(tài)，該結(jié)構(gòu)于1960年代(亦有1950年代初之說，尚存爭議)，歷史最長，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與外圍分離時(shí)的最初形態(tài)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是1980年代產(chǎn)生出來的較新的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)性部件與功能性部件的分離。20世紀(jì)末，基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，理論界中又發(fā)展出了超微內(nèi)核與外內(nèi)核等多種結(jié)構(gòu)。盡管自1980年代起，大部分理論研究都集中在以微內(nèi)核為首的“新興”結(jié)構(gòu)之上，然而，在應(yīng)用領(lǐng)域之中，以單內(nèi)核結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)卻一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。在眾多常用操作系統(tǒng)之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等個(gè)別系統(tǒng)外，幾乎全部采用單內(nèi)核結(jié)構(gòu)，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows（微軟聲稱WindowsNT是基于改良的微內(nèi)核架構(gòu)的，盡管理論界對(duì)此存有異議）。微內(nèi)核和超微內(nèi)核結(jié)構(gòu)主要用于研究性操作系統(tǒng)，還有一些嵌入式系統(tǒng)使用外核?；趩蝺?nèi)核的操作系統(tǒng)通常有著較長的歷史淵源。例如，絕大部分UNIX的家族史都可上溯至I960年代。該類操作系統(tǒng)多數(shù)有著相對(duì)古老的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（例如某些UNIX中存在著大量1970年代、1980年代的代碼）。另外，往往在性能方面略優(yōu)于同一應(yīng)用領(lǐng)域中采用其他內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)（但通常認(rèn)為此種性能優(yōu)勢(shì)不能完全歸功于單內(nèi)核結(jié)構(gòu)）。實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”（RealTimeOS）泛指所有據(jù)有一定實(shí)時(shí)資源調(diào)度以及通訊能力的操作系統(tǒng)。而所謂“實(shí)時(shí)”，不同語境中往往有著非常不同的意義。某些時(shí)候僅僅用作“高性能”的同義詞。但在操作系統(tǒng)理論中“實(shí)時(shí)性”所指的通常是特定操作所消耗的時(shí)間（以及空間）的上限是可預(yù)知的。比如，如果說某個(gè)操作系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)內(nèi)存分配操作，那也就是說一個(gè)內(nèi)存分配操作所用時(shí)間（及空間）無論如何也不會(huì)超出操作系統(tǒng)所承諾的上限。實(shí)時(shí)性在某些領(lǐng)域非常重要，比如在工業(yè)控制、醫(yī)療器材、影音頻合成、以及軍事領(lǐng)域，實(shí)時(shí)性都是無可或缺的特性。常用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有QNX、VxWorks、RTLinux等等，而Linux、多數(shù)UNIX、以及多數(shù)Windows家族成員等都屬于非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性通常依仗內(nèi)核的實(shí)時(shí)能力，但有時(shí)也可在非實(shí)時(shí)內(nèi)核上建立實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，很多在Windows上建立的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就屬于此類。在POSIX標(biāo)準(zhǔn)中專有一系用于規(guī)范實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的API，其中包括POSIX.4、POSIX.4a、POSIX.4b（合稱POSIX.4）以及POSIX.13等等。符合POSIX.4的操作系統(tǒng)通常被認(rèn)可為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（但實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并不需要符合POSIX.4標(biāo)準(zhǔn)）。16位、32位、64位所謂16位、32位、64位等術(shù)語有時(shí)指總線寬度，有時(shí)指指令寬度（在定長指令集中），而在操作系統(tǒng)理論中主要是指內(nèi)存尋址的寬度。如果內(nèi)存的尋址寬度是16位，那么每一個(gè)內(nèi)存地址可以用16個(gè)二進(jìn)制位來表示，也就是說可以在64KB的范圍內(nèi)尋址。同樣道理32位的寬度對(duì)應(yīng)4GB的尋址范圍，64位的寬度對(duì)應(yīng)16Exabyte的尋址范圍。內(nèi)存尋址范圍并非僅僅是對(duì)操作系統(tǒng)而言的，其他類型的軟件的設(shè)計(jì)有時(shí)也會(huì)被尋址范圍而影響。但是在操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，尋址范圍卻有著更為重要的意義。在早期的16位操作系統(tǒng)中，由于64KB的尋址范圍太小，大都都采用“段”加“線性地址”的二維平面地址空間的設(shè)計(jì)。分配內(nèi)存時(shí)通常需要考慮“段置換”的問題，同時(shí)，應(yīng)用程序所能夠使用的地址空間也往往有比較小的上限。在32位操作系統(tǒng)中，4GB的尋址范圍對(duì)于一般應(yīng)用程序來說是綽綽有余的，因而，通常使用一維的線性地址空間，而不使用“段”。.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)試題22007年07月12日星期四18:01一、選擇題(選擇最確切的一個(gè)答案，將其代碼填入括號(hào)中，每空2分，共20分)1．某進(jìn)程在運(yùn)行過程中需要等待從磁盤上讀人數(shù)據(jù)，此時(shí)該進(jìn)程的狀態(tài)是a.從就緒變?yōu)檫\(yùn)行b.從運(yùn)行變?yōu)榫途wc.從運(yùn)行變?yōu)樽枞鹍.從阻塞變?yōu)榫途w2．可重定位內(nèi)存分區(qū)分配目的為a.解決碎片問題b.便于多作業(yè)共享內(nèi)存c.回收空白區(qū)方便d.擺脫用戶干預(yù)原語是a.一條機(jī)器指令b.若干條機(jī)器指令組成c.一條特定指令d.中途能打斷的指令設(shè)備i/o方式有如下三種：a.假脫機(jī)b.詢問c.聯(lián)機(jī)d.中斷e.通道f.脫機(jī)文件目錄的主要作用是a.按名存取b.提高速度c.節(jié)省空間d.提高外存利用率單機(jī)操作系統(tǒng)的共享資源是指a.內(nèi)存、cpu、打印機(jī)b.內(nèi)存c.cpud.打印機(jī)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)為方便用戶管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的a.程序b.文檔資料c.資源d.進(jìn)程沒有下列設(shè)備計(jì)算機(jī)無法工作a.軟盤b.硬盤c.內(nèi)存d.打印機(jī)二、是非題(正確的劃丁，錯(cuò)誤的劃X,20分)(V)1.進(jìn)程的互斥和同步的相互制約一般不會(huì)同時(shí)發(fā)生。(V)2.多用戶操作系統(tǒng)在單一硬件終端硬件支持下仍然可以工作。(V)3，作業(yè)同步面向用戶而進(jìn)程同步面向計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源管理控制。(X)4.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的響應(yīng)系數(shù)最小，設(shè)備利用率最低。(V)5.unix或linux操作系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是分時(shí)、多用戶、多任務(wù)和倒樹型文件結(jié)構(gòu)。(V)6.常用的緩沖技術(shù)是解決慢速設(shè)備與快速cpu處理之間協(xié)調(diào)工作。（V）7.死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程都處于互等狀態(tài)而無法繼續(xù)工作。（V）8.多用戶操作系統(tǒng)一定是具有多道功能的操作系統(tǒng)。（V）9.一般的分時(shí)操作系統(tǒng)無法做實(shí)時(shí)控制用。（V）10.一個(gè)物理硬盤可以分成多個(gè)邏輯硬盤分區(qū)進(jìn)行面向用戶文件系統(tǒng)的管理。三、填空題（40分）按資源分配，設(shè)備類型分為以下三類：獨(dú)享設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備。文件的三種物理結(jié)構(gòu)是順序、鏈接和索引。常用的進(jìn)程調(diào)度算法有先來先服務(wù)（FCFS）、輪轉(zhuǎn)法（RR）和優(yōu)先數(shù)法。作業(yè)i/o方式有如下三種：聯(lián)機(jī)、脫機(jī)和假脫機(jī)。從用戶觀點(diǎn)看，unix系統(tǒng)將文件分三類：一般文件、目錄文件和特殊文件。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)提供的第一代用戶界面接口是命令行和系統(tǒng)調(diào)用。三代人機(jī)界面的發(fā)展是指：一維命令行、二維圖形和三維虛擬現(xiàn)實(shí)。四、問答題（20分）與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相比，現(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了哪些先進(jìn)技術(shù)？多用戶操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在共享資源方面有什么區(qū)別？什么叫操作系統(tǒng)？本課程主要講解內(nèi)容（類型和功能）是什么？操作系統(tǒng)是管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件資源、有效的組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件，是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。試以生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題說明進(jìn)程同步問題的實(shí)質(zhì)。以一臺(tái)打印機(jī)為例，簡述spooling技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。一、 選擇題（20分，每空2分）1.c2.