操作系统概述

2.1 操作系统目标和功能

三个目标

• 方便：易于使用
  • 作为用户/计算机接口，提供方便的服务
    • 程序开发/运行
    • I/O设备访问
    • 文件控制访问
    • 系统访问
    • 错误检测和响应
    • 记账（监控）
• 有效：可以有效利用计算机系统资源
• 拓展能力：可以有效开发、测试和引入新的系统功能
  • 硬件升级和新硬件
  • 新的服务
  • 纠正错误（打补丁）

2.2 操作系统演化

• 串行处理
• 简单批处理系统
  • 使用一个称为监控程序的软件，监控程序自动加载，提供计算机利用率
• 多道批处理系统
  • 解决I/O设备相对于处理器速度太慢，单道程序使得处理器经常处于空间状态
  • 对多道程序设计最有帮助的硬件是：支持I/O中断和直接内存访问（DMA）的硬件
• 分时系统
  • 允许多个用户通过终端同时分享处理器时间
  • 多道程序设计的目的是同时处理多个批作业；而分时系统的目标是减少用户的响应时间

2.3 主要研究成果

4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
  • 定义
    • 一个正在执行的程序
    • 计算机中正在执行的程序的一个实例
    • 可分配给处理器并由处理器执行的一个实体
    • 由一个单一顺序线程、一个当前状态和一组相关系统资源所表征的活动单元
  • 计算机发展的三条主线
    • 多道程序批处理系统
    • 分时系统
    • 实时事务处理系统
  • 组成：
    • 一段可执行的程序
    • 程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓冲区等）
    • 程序的执行上下文（进程状态）
• 内存管理
  • 操作系统担负着5项存储器管理职责：
    • 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
  • 采用虚存机制，如图：
    
• 信息保护和安全
  • 可用性
  • 保密性
  • 数据完整性
  • 认证
• 调度和资源管理
  • 三因素
    • 公平性：给竞争某一资源的所有进程提供几乎相等和公平的访问机会
    • 有差别的响应性：区分不同服务和作业的类型，动态的进行分配和调度
    • 有效性：希望系统获得最大吞吐量和最小响应时间

2.4 现代操作系统

主要设计领域

• 微内核体系结构（单体内核 vs 微内核）
• 多线程（线程和进程）
• 对称多处理SMP（优势：性能、可用性、增量成长、可拓展性）
• 分布式操作系统（集群）
• 面向对象设计（给小内核增加模块化拓展）

2.5 容错性

定义：指系统或者部件发生软/硬件错误时，能够继续正常运行的能力

相关指标：

• 可靠性
• 平均失效时间
• 可用性

错误包括：
- 永久性错误：硬盘损坏、软件错误、通信部件损坏
- 临时性错误
- 瞬时性错误：冲激噪声造成的位传输错误、电源故障
- 间歇性错误：连接松动导致的错误
解决方式：增加冗余度
- 空间（物理）冗余度
- 时间冗余
- 信息冗余

2.6 多处理完器和多核操作系统设计

多处理器操作系统

多处理器系统提供多道系统所有功能，还需要考虑的关键因素：

• 并发进程或线程
• 调度
• 同步
• 内存管理
• 可靠性和容错性

多核操作系统设计考虑因素

包含多处理器的所有涉及问题，还需考虑：应用层并行、虚拟机方式