操作系统复习笔记二：OS Structures

一、OS功能

操作系统主要有五大功能：进程管理、内存管理、文件管理、辅存管理、I/O设备管理

1、进程管理

什么是进程：进程是一个执行中的程序。

进程可以分为 系统进程 和 用户进程 。

主要管理活动：产生和终止进程、

暂停和继续进程、

进程管理机制：进程同步、进程通信、死锁处理。

2、内存管理

什么是存储器：a large array of words and bytes each with its own address.

内存特性：唯一能被CPU直接访问的大型存储设备。

具有易失性。

主要管理活动：记录内存使用情况、分配和重新分配内存。

3、文件管理

对于不同物理存储介质存储的信息，操作系统提供一个统一的logical view，比如 文件。

什么是文件：a collection of related information defined by its creator.

主要管理活动：创建和删除文件、创建和删除目录、提供对文件和目录的操作、将文件映射到辅存中、备份文件到稳定的存储介质中。

4、辅存管理

辅存的作用：由于内存的存储空间小且断电易失，计算机系统需要辅存来备份内存中的信息。

主要管理活动：管理剩余空间、分配存储空间、分盘目录。

5、I/O设备管理

I/O设备的作用：hiding the peculiarities of specific hardware devices from the user.

I/O子系统的组成：内存管理组件（缓冲区、缓存、后台打印），设备驱动程序的接口，特定的硬件设备的驱动。

二、OS服务

两类服务：帮助用户的服务、保证系统正常运行的服务。

1、帮助用户的服务

执行程序：将程序载入内存中并且运行。

I/O操作：provide some means to perform I/O

文件系统操作：文件的创建、删除、读、写。

进程通信：主要是共享内存和消息传递。

查错：通过查找在硬件或者用户程序中的错误来确保程序正确运行。

2、帮助系统运行的服务

给同时运行的多用户或者多作业分配资源。

记录不同用户使用的资源的类型以及数量。

确保所有对系统资源的访问都在控制范围下。

recording all the connections for detection of break-ins.

注意服务和功能的区别：服务是功能的集合。服务是相对于用户而言的概念，功能是相对于系统而言的概念。

三、OS接口

接口可以分为两类：面向用户的接口、面向程序的接口（SCI 和 API）

1、面向用户的接口（界面）：命令行界面（CLI）：纯命令行 （两种执行命令：系统内部命令、扩展命令）

批处理界面：文件和命令行

图形界面（GUI）：基于鼠标和菜单的操作

2、面向程序的接口：system calling interface: 开发软件时可用的一系列命令函数和协议的集合。

application program interface: 程序从系统内核请求服务。

为什么用户大多使用API而不是SCI？

原因：1、隐藏细节，简单。API通常比系统调用提供了更多有用的功能。

2、可移植性。API支持不同版本的系统调用，这样便于把软件移植到不同平台上。而且，API会随着操纵系统的升级而升级，相反系统调用需要手动升级。

3、开销。API比SCI的开销小。因为每次执行SCI都需要从用户态切换到内核态然后再返回，而每次执行API却不一定要切换到内核态。

四、OS结构

OS结构可以分为四类：简单结构、分层结构（虚拟机）、微内核结构、模块化结构

1、简单结构：MS-DOS：用最小的空间提供最基础的功能，接口和功能的层次没有分离。

original UNIX：由内核和系统程序组成。

2、分层结构：操作系统被分成很多层，一个层次都是利用较低层提供的操作来实现的。

模块化，简化了调试和系统验证。

主要问题涉及对层的仔细定义和效率稍低。

虚拟机：应用程序可以将系统程序看作一个层次整体，将这种分层方法逻辑地延伸为虚拟机的概念。

将一个计算机的硬件抽象成多个不同的执行环境（通过CPU调度和虚拟内存技术实现）。

优点：通过完全保护系统资源，虚拟机提供了一个坚实的安全层。虚拟机允许进行系统开发而不必中断正常的系统操作。

主要困难在于磁盘系统不够，解决方法是提供虚拟磁盘。

3、微内核结构：使操作系统的内核提供最小的进程和内存管理以及通信功能。

操作系统更加安全可靠、易于扩展。

4、模块化结构：内核由一系列分功能的模块组成。

允许内核提供内核服务同时也允许一些特性动态实现，更加弹性和高效。

五、OS设计和实现

设计目标：对于用户而言，OS应该使用便捷、容易上手、安全可信赖、而且快速；对系统而言，OS应该容易实现、容易维护、稳定且高效。