1.作業系統概述

桌面常見四大作業系統

windows Mac Linux Unix

windows

*Windows作業系統

*微軟公司首次在PC機上嘗試圖形介面，1985年發行

*基於MS-DOS

Mac

*Mac系統是基於Unix核心的圖形化作業系統

*蘋果產品專屬作業系統

Linux

*Linux作業系統可以用在很多硬體中，例如路由器，手機，電腦，視訊遊戲控制檯等。問們最常用的安卓就是以Linux為基礎開發的。

常用的手機作業系統

　　Symbian OS-昨日皇者

-硬體要求低，省電，不適用於觸控式螢幕。

　　蘋果IOS——高貴華麗

-功能強大，系統穩定

-設計風格簡潔

-價格過高，過於封閉，軟體收費。

　　Windows Phone——全新面貌

-優點：易用性，有內建office套件和Outlook；

-缺點：應用軟體少

　　BlackBerry——高階商務

-穩定性非常好

　　安卓——當今潮流

-基於Liunx作業系統

-優點：開源，聯盟，軟體豐富，免費

-缺點：系統碎片化，軟體質量參差不齊

　　Harmony（鴻蒙）OS

-全新的面向全場景的分散式作業系統

-創造一個超級虛擬終端互聯的世界，將人，裝置，場景有機地聯絡在一起。

-目前已經應用到華為智慧屏，華為手錶上。

基本功能

提供操作介面，控制程式執行，管理系統資源，配置系統引數，監控系統狀態，工具軟體集合。

1.2作業系統定義和功能

作業系統的定義

作業系統是一個大型系統程式

*提供使用者介面，方便使用者控制計算機

*負責為應用程式分配和排程軟硬體資源，並控制與協調應用程式併發活動，幫助使用者存取和保護資訊。

作業系統地地位

作業系統地功能一：程序管理

程序管理（CPU管理，處理機管理）

*程序控制：建立，暫停，喚醒，撤銷

*程序排程：排程策略，優先順序

*程序通訊：程序間通訊

作業系統的功能二：儲存管理

 快取記憶體：緩解CPU的速度和記憶體之間的矛盾

作業系統的功能三：裝置管理

-管理計算機額系統中所有外圍裝置，主要任務控制裝置和CPU之間進行I/O操作

*裝置的分配和排程

*裝置傳輸控制

*裝置驅動

作業系統的功能四：檔案管理

-有效地組織檔案地儲存和修改，高效地提供檢索服務，並保護檔案安全

*儲存空間管理

*檔案地操作

*目錄的操作

*檔案和目錄的存取許可權管理

1.3作業系統的發展和分類

推動作業系統發展的主要動力

1.提高資源的利用率和系統性能

2.方便使用者：除錯程式，事務處理，服務非專業使用者

3.裝置技術的發展：CPU的位寬度，快取。。。

總而言之：出現問題，解決問題；提出需求，滿足需求

（1）手工操作（無作業系統）

電子管時代（1946-1955）

結構特點

硬體：電子管，接線面板（按鈕，開關）

程式語言：機器語言

輸入輸出：紙帶或卡片

使用特點

程式準備/啟動/結束：手工處理，繁瑣耗時

缺點

效率低：CPU有效執行時間極低

使用者獨佔：資源利用率低

主要矛盾-計算機處理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪費）

提高效率的途徑-批處理

（2）單道批處理系統

50年代末-60年代中（電晶體）

*利用磁帶/磁碟把若干個作業分類變成作業執行序列，每個批作業由一個專門的監督程式（Monitor）自動依次處理。可使用匯編語言開發。

*優點：改善CPU和I/O裝置的效率，提高吞吐量

*缺點：磁碟/磁帶需要人工裝卸，作業需要人工分類，監督程式易遭到使用者程式的破壞（程式之間存在越界）

主要問題

*CPU和I/O裝置使用忙閒不均

-對計算為主的作業，外設空閒

-對I/O為主的作業，CPU空閒

（3）多道批處理系統

60年代中-70年代中（積體電路），利用多道批處理提高資源的利用率

*多道：記憶體中同時存放幾個作業

*併發：巨集觀上並行執行，微觀上序列執行

*使用者離線使用計算機：作業提交後直到結束或出錯，使用者無法互動

*當前執行的作業需做I/O處理時，CPU轉而執行下一個作業

優點

*資源利用率高：CPU，記憶體

*作業吞吐量達

缺點

*平均週轉時間長：短作業的週轉時間顯著增長

*互動性差：作業完成後或出錯，才能與使用者互動，不利於除錯和修改

多道批處理帶來的技術問題

作業排程：作業的現場儲存和恢復-儲存上下文

資源共享：資源的競爭和程序制約-互斥和同步

記憶體使用：提高記憶體使用率-覆蓋，交換和虛擬儲存

記憶體保護：系統和應用儲存區不可衝突-儲存保護

出現：作業管理，處理機管理，儲存管理，裝置管理，檔案管理

通道和中斷技術

《中斷技術

*CPU收到外部訊號（中斷訊號）後，停止當前工作，轉去處理該外部事件，處理完畢後回到原來工作的中斷處（斷點）繼續原來的工作

《通道技術

*專門處理外設與記憶體之間的資料傳輸的處理機。

《監督程式由於容易受到使用者程式的干擾，所以發展為執行系統，常駐記憶體。

（4）分時作業系統

*事務性任務的湧現

*互動性高，相應快速

*要求支援多工，多使用者

*多終端計算機

*高效能主機+多個終端

*主機：運算，CPU+記憶體

*終端：輸入和顯示

*主機採用分時技術輪流為每個終端服務。每個終端都感覺到時‘獨佔’主機

分時技術的概念

*主機以很短的‘時間片’為單位，將CPU輪流分配給每個終端使用，直到全部作業被執行完

*由於時間片很短，在終端數量不多的情況下，每個終端都能很快重新獲得CPU，使得每個終端都能得到及時響應。

分時系統的特點

多路調製性

*多使用者聯機使用同一臺計算機

獨佔性

*使用者感覺獨佔計算機

互動性

*及時響應使用者的請求，每個時間片結束後會有時鐘中斷，這時使用者就可以去幹預和了解程式執行的情況。

（5）實時作業系統

*用於工業工程控制，軍事實時控制，金融等領域

——響應時間短，在規定的時間之內完成；可靠性高

（6）通用作業系統

*目前的作業系統，通常具有分時，實時和批處理功能，又稱作通用作業系統

*適用於計算，事務處理等多種領域

*執行在多種硬體平臺上，如UNIX,Windows等

*應用於通用化，小型化的環境上。

作業系統的進一步發展

*在個人計算機上配置的作業系統

*常用的個人計算機作業系統：

單使用者單任務：MS DOS

單使用者多工：OS/2，MS Windows 3.x，Windows 95，Windows NT,Windows 2000 Professionanl

多使用者多工UNIX(SCO UNIX,Solars x86，Liunx，FreeBSD)

網路作業系統

基於計算機網路的。計算機網路中有一臺配置高，效能好的計算機，稱為伺服器，它是網路的核心，其他計算機稱為工作站。

伺服器上裝有網路作業系統，負責統一管理網路資源，實現資訊交換，資源共享和各種網路的應用

分散式作業系統

分散式系統由分散式作業系統管理，各結點主機不再有自己的作業系統，無主次之分。

分散式作業系統負責全系統的資源分配與排程，任務劃分，資訊傳輸和控制協調工作，併為使用者提供一個統一的介面，便於使用者執行操作和使用系統資源。

分散式系統常用於分散式計算和處理，將大型任務分解，使多個主機協作完成，可以充分利用各種資源，從而使計算機系統處理能力增強，速度更快，可靠性更高。‘

1.3作業系統的發展和分類

按使用者介面——命令列介面；圖形使用者介面

按使用者數——單使用者；多使用者

按任務數——單任務；雙任務

按系統功能——批處理；分時；實時；網路；分散式；個人計算機

2.程序管理

 2.1程序

定義

程序是程式在某個資料集合上的一次執行活動

資料集合：軟/硬環境，多個程序共存/共享的環境

 程序的特徵

動態性：程序是程式的一次執行過程，動態產生/消亡

併發性：程序同其它程序一起向前推進

非同步性：程序按各自速度向前推進

獨立性：程序是系統分配資源和排程CPU的單位

程序與程式的區別

動態與靜態

程序是動態的：程式的一次執行過程

程式是靜態的：一組指令的有序集合

暫存與長存

程序是暫存的：在記憶體駐留

程式是長存的：在介質上長期儲存

程式和程序的對應

一個程式可能有多個程序

程序的狀態

執行狀態（Running）

程序已經佔有CPU，在CPU上執行

就緒狀態（Ready）

具備執行條件但由於無CPU，暫時不能執行

阻塞狀態（Block）【等待（Wait）狀態】

因為等待某項服務完成或訊號不能執行的狀態

如等待：系統呼叫，I/O操作，合作程序訊號。。。

程序狀態的變遷

程序的狀態可以依據一定的條件相互轉化。

1.就緒-執行：程序排程

2.執行-就緒：時間片到；被搶佔

3.執行-阻塞：請求服務；等待訊號

4.阻塞-就緒：服務完全；訊號來到

2.2程序控制

程序控制的概念

——在程序生存全期間，對其全部行為的控制

四個典型的控制行為：建立程序，撤銷程序，阻塞程序，喚醒程序

2.3執行緒

概念（Thread）

（1）執行緒是可由CPU直接執行的實體；

（2）每個程序都有相應的執行緒，在執行程式時，實際上是執行相應的一系列執行緒；

（3）程序是資源（定址空間，暫存器組，堆疊空間）分配的最小單位，執行緒是程式執行的最小單位

（4）程序和執行緒都是一個時間短的描述，是CPU工作時間短的描述

（5）多個執行緒共享CPU可以實現併發執行。注意：巨集觀上是並行的，微觀上還是分時切換序列的。

執行緒技術典型使用場景

*多個功能需要併發

*需要改善視窗互動性

使用執行緒的麻煩

（1）程式難以除錯

（2）併發過程難以控制

（3）執行緒安全問題

3.儲存管理

3.1儲存管理的功能