1.1 什么是操作系统

1.1.1 引入操作系统的目标

操作系统（Operating System，OS），对于一个初学者来讲，可能说不出它到底是什么，但只要用过计算机，就一定使用过操作系统。为了加强对操作系统的感性认识，不妨来判断一下，在下面的这些软件中，哪些属于操作系统呢？

Windows 2000/XP、Visual FoxPro 6.0、ASP.NET、UNIX、Linux、Pascal、Photoshop

其实不难发现，在上述软件中属于操作系统的有Windows 2000/XP、UNIX、Linux，其余的属于系统软件或应用程序。当然，操作系统的种类远不止这些，只不过有些操作系统一般用户很少接触，如一些专用领域的操作系统。因此，为便于理解，本书选择目前比较流行的Windows 2000/XP和Linux作为实例进行分析。

为什么在计算机系统中要安装操作系统呢？通常，把没有安装任何软件的计算机称为裸机（Bare Machine）。直接使用裸机十分困难，对用户的要求很高，此时计算机硬件的效率也很难发挥。为此，人们在硬件的基础上，通过增加一层软件来实现对硬件功能的扩充，使它能自动管理计算机系统中的软、硬件资源，这种在硬件上扩充的第一层软件就是操作系统。操作系统紧贴系统硬件之上，所有其他软件的运行都必须以它为基础。

操作系统有什么作用？从操作系统的使用经验可知，操作系统能提供程序运行的环境并控制其运行过程，如在Windows系统中，用鼠标双击程序图标就能启动程序的运行；操作系统能提供友好的用户接口，很容易对文件进行操作，如创建、复制和删除文件等；操作系统能很好地控制I/O设备的工作，如打印机的工作等。总之，操作系统能做的事很多，一下子很难概括，它既像个“管家”，对系统中的一切资源要进行管理，又像个“服务员”，要为用户使用计算机提供服务，但有些服务又无能为力。例如，操作系统不是编译程序，它不能对用户的源程序进行编译，这时需要专门的编译程序才能完成；操作系统不能提供财务管理功能，这要靠相应的财务软件才能实现；操作系统不会进行天气预报，这需要专门的天气预报软件来完成；等等。事实上，操作系统提供的服务是与“硬件相关”和“应用无关”的服务，它不直接处理与实际应用有关的问题，但所有与硬件相关的问题都由它解决，也就是说，所有软件要在计算机上运行，必须要有操作系统的支持。因此，操作系统是所有软件运行的基础。操作系统在整个计算机系统中的地位如图1-1所示。

经过以上分析可以得出，引入操作系统的目标有以下4个。

（1）有效性。操作系统能有效管理、分配和调度软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程。

（2）方便性。操作系统提供良好的、统一的用户接口，使用户使用计算机变得十分方便。

（3）可扩充性。操作系统通过扩充改造硬件类型和规模来扩充计算机的功能。

（4）开放性。操作系统支持体系结构的可伸缩性和可扩展性，能实现在多个系统之间的资源共享和互操作，使应用程序便于在不同平台上移植。

1.1.2 操作系统的定义与功能

1.操作系统的定义

到目前为止，操作系统的产生、使用和发展已经有四十多年了，然而，到底什么是操作系统，人们至今对它的定义仍无统一的标准。但综合各种观点和说法来看，一种被普遍认同的定义是：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用计算机的程序的集合。从它的定义可以看出，操作系统的作用主要体现在两个方面：一是管理员，二是服务员。作为管理员，操作系统要负责对各种硬件和软件资源进行分配和管理。其中，硬件资源主要包括CPU、存储器、寄存器、堆栈和I/O设备等；软件资源主要包括系统程序、应用程序和各种数据及其数据结构等。作为服务员，操作系统是用户和计算机之间的接口（Interface），操作系统通过用户接口来为用户提供服务。

2.操作系统的功能

操作系统的功能主要体现在以下5个方面。

（1）处理器管理

处理器（CPU）管理主要完成处理器的分配、调度和释放等功能。由于处理器是计算机硬件中最宝贵的资源，因此，必须使处理器尽可能地忙起来，减少其等待时间，从而提高它的利用率。在单用户单任务的环境下，处理器仅为一个用户的任务服务，虽然其管理工作简单，但是它的使用效率却很低。为了尽量提高处理器的利用率，操作系统采用了多道程序技术。在多道程序环境下，为了保证这些程序能并发执行，采用合理、有效的处理器管理策略是十分必要的。

为了便于处理器的分配、调度和管理，更好地描述多道程序的并发执行，操作系统引入了进程（Process）和线程（Thread）的概念。进程是对程序并发执行的动态描述，是系统内资源分配的基本单位，在多进程操作系统中，进程也是处理器调度的基本单位。而线程是进程内部的一个控制流，是对进程的有效细化。引入线程的目的是为了减少操作系统对进程调度的开销，进一步提高系统的并发程度，使并发执行的代价降为最低。在多线程系统中，线程是处理器调度的基本单位。实际上，在多进程多线程系统中，对处理器的管理和调度最终归结为对进程和线程的管理和调度，它主要包括：

① 进程和线程控制。完成进程或线程的创建、撤销、挂起和改变执行优先级等功能。

② 进程和线程的同步。协调并发进程或线程之间的执行顺序，方便进行资源共享。

③ 进程间通信。进程之间相互传输数据，以协调进程间的协作。

④ 进程的死锁。包括对死锁的预防、避免、检测和解除等功能。

⑤ 处理器调度。包括作业调度、中级调度、进程或线程调度。通过作业和进程的执行切换，来充分利用处理器资源和提高系统性能。

（2）内存管理

内存储器简称内存（主存）。内存管理的主要任务是对内存资源的分配和回收，实现地址转换，实现内存的逻辑扩充以及提供内存共享和保护机制等功能。内存管理的目标是提高内存的利用率，方便用户使用内存，为用户提供透明服务。众所周知，计算机运行程序的前提是先将程序装入内存，但受成本等方面条件的制约，内存的容量是有限的。在多道程序系统中，用户使用内存时需考虑其他程序的影响。每个用户程序如何申请内存，如何装入内存中的指定区域，如何保护好自己的程序不受干扰或影响等问题，这都是用户程序设计人员无法事先知道的事情。因此，操作系统中的内存管理模块就是用于解决这些问题的。内存管理的具体功能如下。

① 内存的分配与回收。为需要运行的程序分配必要的内存资源，当程序运行结束后再回收其分配的内存资源，这需要在操作系统中设置相应的数据结构，用于登记当前内存的使用情况。

② 地址转换。由于内存和外存编址的不同，当程序从外存装入内存时，需将程序中的逻辑地址（相对地址）转换为内存中的物理地址（绝对地址）。这一过程可通过地址重定位完成。根据重定位时机的不同，可以分为静态重定位和动态重定位。静态重定位是在程序装入内存时进行；而动态重定位是在程序运行时进行，动态重定位通常需要硬件的支持。

③ 内存的共享和保护。内存管理要实现用户程序对内存资源的共享，即当多个程序包含同一个公用代码段时，这个公用代码段在内存中只保留一个副本。内存的共享提高了内存资源的利用率。内存的保护指的是要保证不同用户的程序之间互不干扰、相互保密，尤其是不允许访问操作系统的程序和数据，保证用户和系统程序在内存中的信息不被破坏。

④ 内存的逻辑扩充。内存容量的有限性直接制约了进程的并发执行效率，而且也限制了在内存中能运行的应用程序的规模。为了解决内存的“瓶颈”问题，必须实现内存的扩充。内存扩充可采用物理扩充和逻辑扩充两种方式。由于受客观因素的影响，无限制地进行物理扩充是不现实的，也是不经济的。借助于软件技术，可以对内存进行逻辑扩充。操作系统主要采用覆盖、交换和虚拟存储等软件技术来实现对内存的逻辑扩充，使进程的内存空间扩大，从而提高内存利用率。

（3）设备管理

设备管理的主要任务是对各种外围设备进行管理，响应用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配I/O设备，控制CPU与外设间的数据交换等。设备管理的目标：一是方便用户使用设备，二是提高CPU与I/O设备的利用率。设备管理的具体功能如下。

① 完成设备的分配与回收。根据用户的I/O请求分配相应的设备，并在使用完后回收该设备，尤其要解决在多用户间共享I/O设备资源等问题。

② 实现设备独立性。设备独立性是指提供统一的I/O设备接口，使应用程序独立于物理设备，提高可适应性。

③ 控制设备操作。利用设备驱动程序和控制程序完成对设备的操作。

④ 实现虚拟设备。虚拟设备（Virtual Device）是为实现独享设备的共享而提出的。当多个进程要共享某个独享设备时，可通过虚拟技术（如SPOOLing技术）将其转换为几个逻辑设备，分别为多个进程服务。对于每个进程来说，就如同独占该物理设备一样。

⑤ 实现缓冲区管理。为了解决CPU和I/O设备之间的速度不匹配问题，必须使用缓冲区。可通过单缓冲区、双缓冲区、多缓冲区和缓冲池技术来实现，这样可提高CPU和I/O设备的利用率。

（4）文件管理

文件管理又称为外存管理。外存是存放系统中的信息资源的场所，信息资源主要包括各类程序和数据等软件资源，它们主要以文件的形式存放。文件管理的主要任务是对各种文件（包括用户文件和系统文件）进行有效管理，实现对文件的按名存取；解决文件在外存上的存储、共享、保密和保护问题，采用合理的分配策略来提高外存资源的利用率。文件管理的具体功能如下。

① 实现文件的按名存取。通过文件名找到该文件的具体存储区域并进行访问。

② 文件存储空间管理。解决如何分配和回收文件空间，以提高外存空间利用率和对文件的读/写性能。

③ 文件和目录管理。解决文件的分类与检索问题，采用合适的目录结构将提高文件的访问效率。提供对文件和目录操作的手段，如文件的读、写、复制、删除等。可通过系统调用方式和命令方式来实现。

④ 文件的存取控制。解决文件的安全和保护问题，文件信息的安全在多用户系统中显得尤为重要。

（5）用户接口

为了方便用户使用计算机，操作系统提供了用户接口。用户接口的功能是提供一个友好的用户使用计算机的途径。操作系统的用户接口有以下两种：

① 命令接口。命令接口是向一般操作级用户提供的，它由字符方式下的键盘命令和图形方式下的鼠标命令组成。

② 程序接口。程序接口是向编程人员提供的，又称为应用程序编程接口（API），它由一系列的系统调用组成。库函数是系统调用的高级形式，通过程序接口，编程人员可以在程序中调用操作系统的内核代码，完成一些与硬件相关的复杂功能。

1.1.3 操作系统的逻辑结构

操作系统是个十分庞大的系统软件，它由几万行到几百万行不等的代码组成，这些代码被分散在操作系统的多个功能模块中。那么，这些功能模块是如何集成在一起的呢？这就是操作系统的逻辑（或整体）结构问题。事实上，每个操作系统从逻辑的角度来看都可以分为两个部分：一是内核，二是外壳。其中，内核（Kernel）部分是紧挨着硬件的部分，主要完成与硬件相关的功能，如操作系统的几大功能模块；而外壳（Shell）部分主要完成与硬件无关的功能，如提供实用程序和命令解释功能等，如图1-2所示。如果应用程序要使用内核的功能，则必须通过系统调用才能完成。

随着操作系统设计技术和思想的发展，内核本身的组织结构也产生了多样性，如整体模块结构、分层结构、客户机/服务器结构和微内核结构等。图1-3所示为内核分层的结构图。