中科大操作系统原理与实现课件2_OS structure.pdf

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1、.操作系统原理与设计第2章 OS structures陈香兰中国科学技术大学计算机学院2009年09月01日.提纲操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.System c

2、omponentsIProcess ManagementIMain Memory ManagementISecondary-Storage ManagementII/O System ManagementIFile ManagementIProtection SystemINetworkingICommand-Interpreter System.处理器管理多道环境下，处理器的运行及分配都以进程（process）为单位，因此处理器管理可归结为进程管理（process management）。一、进程控制I创建/撤消进程；挂起恢复进程I迁移进程的状态I一般由进程控制原语完成二、进程同步I为使多个

3、进程有条不紊地运行，应建立同步机制。I包括进程互斥/同步，次序协调；死锁避免、预防、检测和消除.三、进程通信I源于进程合作，如：输入进程、计算进程、打印进程相互间有信息传递I类型：I直接：PA发msg，PB收msgI间接：PA发msg到中间实体(如mailbox)，PB从中间实体收msg四、作业与进程调度I作业调度：为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。I进程调度：从就绪队列中选出进程，分配CPU，使之运行。I调度算法：FCFS、优先权等.存储管理(Main Memory Management)IMM is a large array of words or bytes,e

4、ach with its ownaddressIA repository of quickly accessible data shared by CPU andI/O devicesIA volatile storage deviceIMaybe the most architecture-specified component of OSIActivitiesIKeeping track of memory usageIDeciding which processes to loadIAllocating and deallocating memory space.目的：方便用户使用，且提

5、高存贮器利用率一、内存分配I静态分配：I动态分配：作业在内存中可移动需内存分配的数据结构及内存分配和回收功能二、内存保护I例：设置上、下界寄存器，每条指令进行越界检查（一般是硬件实现）三、地址映射I地址范围地址I逻辑空间逻辑地址（相对地址）I物理空间物理地址（绝对地址）四、内存扩充I利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量I系统应有：请求调入/置换功能以支持虚存技术.File managementIA fileIa collection of related information defined by its creator.Commonly,programs&dataIA logical sto

6、rage unitIActivitiesIFile creation and deletionIDirectory creation and deletionISupport of primitives for manipulating files and directoriesIMapping files onto secondary storageIFile backup on stable(nonvolatile)storage media.文件管理的功能任务：方便用户，提供安全性一、文件存贮空间的管理I例：文件系统根据文件长度自动分配连续或离散的扇区，并提供“一句柄”表示该文件。二、目

7、录管理I使用户按名存取，提高速度。三、文件的读、写管理和存取控制（即保护）.I/O managementII/O subsystemITo hide the peculiarities of specific hardware devices from theuserIMaybe the most complicate component and has largest line ofcode(LOC)IVarious deviceIConsists ofIBuffering,caching,and spoolingIA general device-driver interfaceIDriv

8、ers for specific hardware device.设备管理功能任务：提高I/O利用率和速度，方便用户一、缓冲管理缓冲区：用来解决CPUI/O矛盾，如：CPU快则应多创建缓冲区。二、设备分配包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收三、设备处理I指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。I设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。.四、设备独立性和虚拟设备I独立性，即program与设备无关性，使program易于重定向，增加了可移植性。I虚拟设备.Second storage managementIUsually disks used

9、to store data that does not fit in mainmemory or data that must be kept for a“long”period oftime.IProper management is of central importanceIEntire speed of computer operation hinges on disk subsystemand its algorithmsIActivitiesIFree-space managementIStorage allocationIDisk schedulingISome storage

10、need not be fastITertiary storage includes optical storage,magnetic tapeIStill must be managedIVaries between WORM(write-once,read-many-times)and RW(read-write).Command-interpreter systemIThe interface between the user and the OS In the kernel or asa special programITo get the next command statement

11、 and execute itIExample:IControl-card interpreterICommand-line interpreter(DOS)IShell(UNIX)IGUI.用户接口一、命令接口I由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用户接口I联机用户接口由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成I脱机（批处理用户接口）用JCL写作业说明书二、程序接口I系统调用I高级语言的库函数，如C库三、图形接口I如 win的copy文件，采用“拖”来完成，生动，不需记忆.Protection and Security systemIProtection any mechanism for co

12、ntrolling access ofprocesses or users to resources defined by the OSISecurity defense of the system against internal and externalattacksIHuge range,including denial-of-service,worms,viruses,identity theft,theft of serviceISystems generally first distinguish among users,to determinewho can do whatIUs

13、er identities(user IDs,security IDs)Iassociated with all files,processes of that user to determineaccess controlIGroup identifier(group ID)IPrivilege escalation allows user to change to effective ID withmore rights.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统

14、的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.操作系统提供的服务.操作系统的各种功能，最终要封装成“服务”的形式提供给用户I装载并运行程序I提供各种I/O操作I提供文件系统及文件操作I提供通信服务I提供差错检测服务I对资源的分配进行管理I对资源的使用进行统计（记账）I对系统进行保护.操作系统提供服务的最基本方式系统调用I系统调用的类型I进程控制类I文件操作类I设备管理类I通信类，例如消息传送机制I信息维护类，例如日期信息、系统信息等.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem pr

15、ograms操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.System CallsIProgramming interface to the services provided by the OSITypically written in a high-level language(C or C+)IMostly accessed by programs via a high-level ApplicationProgram Interface(API)rather than direct system call useIThree most c

16、ommon APIs areIWin32 API for Windows,IPOSIX API for POSIX-based systems(including virtuallyall versions of UNIX,Linux,and Mac OS X),Iand Java API for the Java virtual machine(JVM)IWhy use APIs rather than system calls?.Example of System CallsISystem call sequence to copy the contents of one file toa

17、nother file.Example of Standard API.IConsider the ReadFile()functionIWin32 APIa function for reading from a fileIA description of the parameters passed to ReadFile()IHANDLE filethe file to be readILPVOID buffera buffer where the data will be read into andwritten fromIDWORD bytesToReadthe number of b

18、ytes to be read intothe bufferILPDWORD bytesReadthe number of bytes read during thelast readILPOVERLAPPED ovlindicates if overlapped I/O is beingused.System Call ImplementationITypically,a number associated with each system callISystem-call interface maintains a table indexed according tothese numbe

19、rsIThe system call interface invokes intended system call in OSkernel and returns status of the system call and any returnvaluesIThe caller need know NOTHING about how the system callis implementedIJust needs to obey API and understand what OS will do as aresult callIMost details of OS interface hid

20、den from programmer by APIIManaged by run-time support library(set of functions builtinto libraries included with compiler).API System Call OS Relationship.Standard C Library ExampleIC program invoking printf()library call,which calls write()system call.System Call Parameter PassingIOften,more infor

21、mation is required than simply identity ofdesired system callIExact type and amount of information vary according to OSand callIThree general methods used to pass parameters to the OSISimplest:pass the parameters in registersIIn some cases,may be more parameters than registersIParameters stored in a

22、 block,or table,in memory,andaddress of block passed as a parameter in a registerIThis approach taken by Linux and SolarisIParameters placed,or pushed,onto the stack by the programand popped offthe stack by the operating systemBlock and stack methods do not limit the number or length ofparameters be

23、ing passed.Parameter Passing via Table.一、进程控制类系统调用一、进程控制类系统调用I命令接口或图形接口I装入并执行一个程序I控制程序的运行：正常或非正常的终止I程序接口：I修改进程的属性I终止一个进程的执行I等待一个进程的执行I调试类接口，如trace、ptrace等I等.example:process controlIMS-DOS（单任务系统）.FreeBSD（多任务）.二、文件管理类三、设备管理类四、信息维护类.五、通信类系统调用I两种常见的通信模型IMessage-passing VS.Shared-memory.Outline操作系统的组成、服务

24、、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.system programs向用户提供一个方便使用的环境。.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.操作系统的特征并发：I并行 vs.并发I并行是指两或多个事件在同一时刻发生。I并发是两或

25、多个事件在同一时间间隔内发生。I程序 vs.进程I程序：静态实体；I进程：动态实体IA program in execution.I是系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。I引入线程后，独立运行的单位变为线程。.共享I系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用I互斥共享 VS.同时访问I互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源I同时访问：微观上仍是互斥的临界资源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。.虚拟I通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。

26、异步I运行进度不可预知。.传统操作系统的抽象模型I传统的进程模型I线程模型I服务体/执行流模型.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.进程模型I进程这一术语，最初是在20世纪60年代初期，在麻省理工学院（MIT）的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统中引入的I现代操作系统都以进程（Process）为单位来分配包括处理机、内存、I/O等在内的各种资源，以实现对计算机系统的并发控制

27、机制。I围绕进程而展开的工作主要包括进程管理、进程控制、进程同步、进程间通信以及进程调度等.I进程的地址空间I地址空间中的代码、数据和堆栈等内容决定了一个进程所能执行的任务I进程描述符及其上下文I包括程序指针、堆栈指针以及其他硬件寄存器I决定了一个进程的当前执行情况。.I进程调度I调度是操作系统实现处理机并发控制的关键。I调度中最能体现进程模型本质的核心功能是进程切换I调度算法仅仅被用来决定在什么时机、切换到哪个进程上。I最常见的调度算法包括I时间片轮转调度、I基于优先级的可抢占或不可抢占调度I一些实时调度算法I等等.I进程间通信机制I用于进程之间交换信息I也是进程之间进行通信的唯一途径。I就

28、模型而言，进程之间实现通信必须有进程调度机制的介入。I常见的进程间通信机制包括I信号、信号量、管道、消息队列、套接字。.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.线程模型I线程模型从进程模型发展而来。I将进程的执行上下文从进程描述符中分离出来，就得到了线程的概念。I线程是指令在进程地址空间中的执行轨迹I在线程模型中，进程可以是单线程的，也可以是多线程的。I传统进程模型中的进程可以看成是单线程的。.

29、I任何一个线程都属于某个进程。I根据是否跨越进程边界，进程/线程在管理、控制、同步、通信和调度上有了两个层次，即I进程内部I和进程之间。I通常，现代操作系统在大多数情况下仍然是不区分这两种情况的I例外：I进程内部的线程之间可以通过进程地址空间直接共享某些数据，而不必采用传统的进程间通信机制。.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.操作系统的体系结构I软件体系结构（Software Archit

30、ecture）对软件系统的构造具有指导性的作用。IBass在2003年关于软件体系结构的定义：I“软件体系结构是一种系统结构，该结构包括软件元素、元素的外部可视属性、元素之间的关系”。I因此，OS体系结构包含如下几个方面：IOS的功能模块是如何组成的，即采用什么样的软件元素？IOS的功能模块的哪些信息/属性是相互可见的？IOS的功能模块之间是如何互操作的？.操作系统体系结构的发展历程I无结构，或者说简单结构I单一内核结构I模块化结构I层次式I微内核和第二代微内核I混合内核I外核.简单结构的操作系统I操作系统发展初期INot a well-defined structureIStarted as

31、 small,simple,and limited systemsI受到硬件性能、软件水平的限制I没有清晰的体系结构I操作系统功能模块和用户应用程序混杂在一起，在同一个地址空间上运行，模块之间可以相互任意调用，I例如：MS-DOS、早期的UNIX系统以及一些早期的或者小型的嵌入式系统。.Example:MSDOSIExample:MS-DOS,written to provide the most functionalityin the least spaceINot divided into modulesIThe interfaces&levels of functionality are

32、nt well separatedIApp.can access the basic I/O routinesILimited by hardware Intel 8088,no dual mode&hardwareprotection.单一内核结构I随着硬件平台在性能上、数量上、种类上以及对操作系统的支持上的发展，操作系统的结构有了新的发展I系统调用使得操作系统与用户应用程序隔离开来；I随着操作系统的功能越来越多、模块之间的调用关系也越来越复杂I形成了单一的、体积庞大的操作系统内核I这种结构被称为单一大内核（Monolithic Kernel）结构。I用户应用只能通过中断、异常、系统调用的方

33、式使用操作系统提供的服务I用户应用程序之间通过进程间通信机制进行通信。.Example.模块化结构I随着软件开发技术的发展，单一大内核结构的操作系统逐渐采用了模块化设计方法I模块之间定义了很好的以函数调用的形式提供的接口I在一定程度上提高了操作系统的可维护性。I常见的例如：UNIX类.Solaris Modular structure.层次结构I为减少OS各模块之间紧密依赖和相互调用的关系，特别是消除循环调用现象，实现有序调用I在层次结构的操作系统内核中，I系统由若干层次构成，每一层都建立在其下的一层之上I最底层是硬件裸机，最高层则是应用程序。I每一层均公布一定的接口给外层访问，每个层次内部的

34、数据和操作对其他层都是不可见的。I根据每一层内部各模块之间是否存在调用关系，层次结构进一步被划分为I全序的操作系统，如1968年Dijkstra等开发的THE系统I半序的操作系统，如多伦多大学的SUE操作系统。.微内核结构IRichard Rashid在CMU开发Mach时提出了微内核思想I微内核仅仅提供进程管理、线程管理、内存管理、通信和I/O服务等基本功能I其他的功能，诸如文件系统、窗口管理器、WEB服务等都被定义在核外，作为用户态（服务）进程运行I进程之间只能基于消息传递机制通信I又称为客户机/服务器结构(C/S)，后来成为分布式操作系统最常使用的一种结构.I微内核结构的优点：I良好的兼

35、容性、扩充性、灵活性、移植性、可靠性和网络支持I微内核存在一个致命的效率问题：I与系统组件之间的基于消息传递的通信效率远低于对单一大内核中相应系统功能原语的调用效率I典型的微内核（又称第一代微内核）有Mach、Minix、QNX等。.第二代微内核I解决微内核设计性能问题的一条思路是I对微内核的进程间通信机制加以改进以优化其性能。I由此产生了第二代微内核系统IL4。.混合内核I混合内核是解决微内核设计性能问题的另一个方法I即扩大微内核并把一些关键的服务程序和驱动程序重新加入到内核中去，I如Windows NT 4.0把图形系统重新加入内核以提高性能。I但这种方法削弱了微内核思想在系统的扩充性、灵

36、活性和可靠性等方面所带来的优点.ExampleI微内核，混合内核.外核（Exokernel）IExokernel提出了外核的概念，它试图将操作系统接口降低到硬件层I在外核结构中，内核只用来负责简单的申请、释放并复用硬件资源，而将内存映射、I/O和复杂的线程包等所有在传统操作系统内核中提供的抽象都转移到用户空间，以库的形式提供，用户程序通过调用库的形式实现对硬件资源的直接访问。I外核结构可以看成是微内核结构的一种极端形式.操作系统体系结构小结从上述OS体系结构的发展过程中可以看出：I除了简单结构以外，操作系统中都存在一个内核I核外的程序通过中断、异常、系统调用的方式访问内核中提供的服务；I内核内

37、部模块之间采用函数调用的形式直接调用（不论接口定义是否良好）；I操作系统提供给核外的程序的抽象是进程/线程I包括用户应用和外放到核外运行的操作系统功能模块I进程/线程之间通过进程间通信机制进行通信；.Outline操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.虚拟机.IA virtual machine takes the layered approach to its logicalconclusion.IIt

38、treats hardware and the OS kernel as though they were allhardwareIA virtual machine provides an interface identical to theunderlying bare hardwareIThe OS creates the illusion of multiple processes,eachexecuting on its own processor with its own(virtual)memoryIThe resources of the physical computer a

39、re shared to createthe virtual machinesICPU scheduling can create the appearance that users havetheir own processorISpooling and a file system can provide virtual card readers andvirtual line printersIA normal user time-sharing terminal serves as the virtualmachine operators console.VMWare Virtual M

40、achine.Java Virtual Machines.小结操作系统的组成、服务、特征System componentsOS ServicesSystem Callsystem programs操作系统的特征操作系统的抽象模型和体系结构进程模型线程模型操作系统的体系结构虚拟机小结和作业.作业I操作系统最基本的两个特征是什么？I什么是操作系统的体系结构，有哪些？I操作系统的组成有哪些？III阅读恐龙书第6版翻译版：3.6,3.7,3.8，回答习题三的3.15华夏班：阅读恐龙书第7版影印版：2.6,2.7,2.8,2.9,2.10，回答Exercises 2.9,2.12,2.13.上机作业.I在linux中，编写一个程序，该程序能创建一个进程I父进程输出当前的时间和日期I父进程输出自己的进程号和子进程的进程号I子进程输出自己的进程号I让子进程执行另外一个程序。I提示：getpid，fork，execveI华夏班：父进程创建一个pipe，父子进程通过pipe通信，父进程将自己的进程号传递给子进程，子进程将读到的进程号输出。I提示：pipe，write，read，closeI提供上机报告，说明：I编写程序的过程中参考的材料或者网页I编写程序的过程中出现的错误，解决问题的方法I附上源代码和运行结果的截图.谢谢！