1.2 操作系統(tǒng)的功能

操作系統(tǒng)是最基本的系統(tǒng)軟件，它主要負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件、軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程，并為用戶提供一個良好的工作環(huán)境和友好的接口。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源主要包括處理器（CPU）、存儲器（Memory）、外存儲器（External Memory）、輸入/輸出（Input/Output）設(shè)備等；軟件資源一般是以文件形式存儲在外部存儲器中。為使系統(tǒng)中的程序與設(shè)備能夠有條不紊地工作，并提供給用戶一個良好界面，要求操作系統(tǒng)應(yīng)具備以下5方面的功能：處理器管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理和作業(yè)管理。下面來詳細(xì)介紹各個功能。

1.2.1 處理器管理

處理器（CPU）是整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件資源的核心，其性能和使用情況對整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響。處理器的速度一般比其他硬件設(shè)備的工作速度要快得多，其他設(shè)備的正常運(yùn)行往往也離不開處理器。因此，有效利用和管理處理器，充分利用處理器資源是操作系統(tǒng)最重要的管理任務(wù)。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)多個用戶同時競爭處理器的情況，那么對于唯一的一個CPU要滿足所有用戶的請求，如何進(jìn)行處理器分配，分配多長時間給一個用戶，下一次把CPU使用權(quán)分配給哪一個用戶等很多的問題。因此，為了能夠清晰地描述出多個程序的同時運(yùn)行問題，操作系統(tǒng)中引入了進(jìn)程的概念。

在多道程序的環(huán)境中，處理器分配的主要對象是進(jìn)程。進(jìn)程是指程序在并發(fā)環(huán)境下的一次運(yùn)行過程。操作系統(tǒng)通過進(jìn)程調(diào)度選擇一個合適的進(jìn)程分配處理器，因此，處理器管理實(shí)際上就是進(jìn)程管理。操作系統(tǒng)有關(guān)進(jìn)程方面的管理很多，主要包括進(jìn)程控制、進(jìn)程同步與互斥、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程通信及死機(jī)檢測與處理等。

1.進(jìn)程控制

當(dāng)要運(yùn)行用戶程序時，應(yīng)為之創(chuàng)建一個或多個進(jìn)程，分配除處理器之外的必要資源并放入進(jìn)程就緒隊(duì)列中。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行完成時，立即撤銷該進(jìn)程，以便操作系統(tǒng)回收其所占有的資源。進(jìn)程控制的基本功能就是創(chuàng)建和撤銷進(jìn)程以及控制進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.進(jìn)程同步

進(jìn)程同步是指兩個或兩個以上進(jìn)程要協(xié)作完成一個任務(wù)時直接發(fā)生相互作用的關(guān)系。在多道環(huán)境下，這種進(jìn)程間在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)是必不可少的，因?yàn)樗鼈冎g需要互相配合與協(xié)調(diào)，即進(jìn)程之間在時序上要有一定的關(guān)系。

3.進(jìn)程互斥

進(jìn)程互斥是主要源于資源共享，是進(jìn)程之間的間接制約關(guān)系，指在兩個或兩個以上的進(jìn)程競爭某些資源（臨界資源）情況下，進(jìn)程互斥地使用這類資源。在多道系統(tǒng)中，進(jìn)程互斥就是為保證每次只有一個進(jìn)程使用臨界資源。

4.進(jìn)程通信

相互合作的進(jìn)程運(yùn)行時，它們之間往往要交換一定的信息，這種進(jìn)程間進(jìn)行的信息交換稱為進(jìn)程通信。

5.進(jìn)程調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度是指按一定算法從進(jìn)程就緒隊(duì)列中選出某個進(jìn)程，把處理器分配給它，使其投入運(yùn)行。當(dāng)一個正在執(zhí)行的進(jìn)程已經(jīng)完成，或者因?yàn)槟撤N原因?qū)е略撌录o法繼續(xù)執(zhí)行下去時，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，重新分配處理器?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)大多是線程級操作系統(tǒng)，進(jìn)程調(diào)度的對象是線程。

1.2.2 存儲管理

存儲器（是指計(jì)算機(jī)內(nèi)存）是計(jì)算機(jī)的記憶部件，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的資源。存儲器是程序運(yùn)行的舞臺，一個程序要在處理器上運(yùn)行，其代碼和數(shù)據(jù)就要全部或部分地進(jìn)駐于內(nèi)存。除操作系統(tǒng)要占相當(dāng)大的內(nèi)存空間外，在多道程序系統(tǒng)中，并發(fā)運(yùn)行的程序都要占有自己的內(nèi)存空間。因此，內(nèi)存資源非常緊張。

操作系統(tǒng)的存儲管理功能其實(shí)就是管理有限的內(nèi)存空間，保證內(nèi)存的利用率。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并發(fā)運(yùn)行的進(jìn)程越來越多，并且單個進(jìn)程也越來越大。盡管內(nèi)存在不斷地?cái)U(kuò)大，但還是不能滿足系統(tǒng)中快速增長的并發(fā)進(jìn)程對內(nèi)存的需求。為了解決這個問題，讓更多的進(jìn)程在系統(tǒng)中并發(fā)運(yùn)行，滿足用戶需求，操作系統(tǒng)采用了虛擬存儲管理技術(shù)，為進(jìn)程提供大于實(shí)際物理內(nèi)存的存儲空間，利用地址交換技術(shù)，響應(yīng)并行進(jìn)程的需求。

歸根結(jié)底，存儲管理的主要工作就是分配內(nèi)存、保護(hù)內(nèi)存以及內(nèi)存擴(kuò)充。存儲管理的功能包括以下幾方面。

1）分配內(nèi)存。多道程序并發(fā)執(zhí)行的首要條件是要求不同的程序有自己的內(nèi)存空間，而存儲管理就需要完成合理分配內(nèi)存的任務(wù)，以避免系統(tǒng)及用戶程序的存儲區(qū)之間產(chǎn)生沖突。

2）回收內(nèi)存。程序運(yùn)行結(jié)束后，必須釋放其占用的存儲空間，以便再分配，從而提高內(nèi)存的利用率，這些是由存儲管理程序來完成的。

3）保護(hù)內(nèi)存。整個內(nèi)存空間一般劃分為兩部分：系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。系統(tǒng)區(qū)是操作系統(tǒng)本身的程序和數(shù)據(jù)駐留區(qū)；用戶區(qū)是用戶的程序和數(shù)據(jù)駐留區(qū)。為保證進(jìn)程都能在各自的內(nèi)存空間運(yùn)行而互不干擾，要求進(jìn)程在執(zhí)行時，時刻檢查對內(nèi)存的訪問是否合法。必須防止因某進(jìn)程的錯誤而擾亂了其他進(jìn)程的運(yùn)行（即每個進(jìn)程只能在自己的存儲區(qū)域內(nèi)活動），尤其應(yīng)防止用戶進(jìn)程非法訪問操作系統(tǒng)的內(nèi)存區(qū)。

4）地址映射。為了保證CPU執(zhí)行指令時可正確訪問存儲單元，需將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時由機(jī)器直接尋址的物理地址，這一過程稱為地址映射。操作系統(tǒng)必須提供地址映射機(jī)構(gòu)，把進(jìn)程地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間對應(yīng)的物理地址，這樣可使用戶不必過問物理存儲空間的分配細(xì)節(jié)，簡化用戶編程工作。

5）擴(kuò)充存儲。由于內(nèi)存資源有限，而要滿足用戶對內(nèi)存容量的需求，滿足大型程序或多進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的需要，必須擴(kuò)充內(nèi)存容量。由于硬件發(fā)展的限制不可能僅從硬件上進(jìn)行擴(kuò)充，所以操作系統(tǒng)利用軟件技術(shù)來解決該問題。通過采用虛擬存儲技術(shù)獲得內(nèi)存擴(kuò)充的效果，使系統(tǒng)的邏輯內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存，以滿足用戶對大內(nèi)存的需求。

1.2.3 設(shè)備管理

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部設(shè)備品種繁多，用法各異，控制與管理起來非常煩瑣。常見的外部設(shè)備有終端、屏幕、打印機(jī)、繪圖儀、掃描儀、硬盤、軟盤、光盤、串/并行口和通信口等。相對處理器來說，這些外部設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較慢。處理器與外部設(shè)備間的速度問題，長期以來一直是操作系統(tǒng)要解決的主要問題。

由于系統(tǒng)要支持眾多的各種設(shè)備，而且各類設(shè)備的控制和信息傳輸操作差別極大，因此，設(shè)備管理的代碼在操作系統(tǒng)核心中占有相當(dāng)大的部分。而它的主要任務(wù)就是充分利用各種設(shè)備資源，包括緩沖管理、設(shè)備獨(dú)立性、虛擬設(shè)備、設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動、設(shè)備的控制和信息傳輸技術(shù)等。

1.緩沖管理

當(dāng)處理器和外部設(shè)備進(jìn)行交換信息時，通常是利用緩沖區(qū)來緩解處理器和外部設(shè)備間速度不匹配的矛盾，實(shí)現(xiàn)處理器與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間操作的并行程序，提高處理器和外部設(shè)備的利用率。

2.設(shè)備分配

用戶程序在其運(yùn)行期間隨時會需要使用外部設(shè)備，當(dāng)向操作系統(tǒng)提出設(shè)備申請時，系統(tǒng)根據(jù)用戶程序所請求的設(shè)備類型，按某一個分配算法對設(shè)備進(jìn)行分配，建立從外設(shè)到內(nèi)存之間傳輸信息的通路；當(dāng)進(jìn)程的輸入/輸出完成后，應(yīng)及時回收設(shè)備，以便重新分配給其他進(jìn)程使用；將未獲得所需設(shè)備的進(jìn)程放進(jìn)相應(yīng)設(shè)備的等待隊(duì)列中。

3.設(shè)備驅(qū)動

設(shè)備驅(qū)動的任務(wù)是將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換成設(shè)備的物理地址，啟動指定的I/O設(shè)備，完成用戶指定的I/O操作，對設(shè)備發(fā)來的中斷請求做出及時響應(yīng)，根據(jù)中斷類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.虛擬設(shè)備

把一次僅允許一個進(jìn)程訪問的設(shè)備稱為獨(dú)占設(shè)備。獨(dú)占設(shè)備使得系統(tǒng)效率降低，并可能產(chǎn)生死鎖。系統(tǒng)通過虛擬技術(shù)將一臺獨(dú)占設(shè)備改造成能被多個進(jìn)程共享的設(shè)備（虛擬設(shè)備），使每個用戶都感覺自己在獨(dú)占該設(shè)備，從而提高設(shè)備的利用率。

5.設(shè)備獨(dú)立性

即設(shè)備的無關(guān)性。由于外部設(shè)備的種類繁多，數(shù)量也不同，設(shè)備管理對各種設(shè)備操作提供了統(tǒng)一的操作接口，用戶在編制程序時，應(yīng)避免直接使用實(shí)際的設(shè)備名而使用邏輯設(shè)備名，這樣可以方便用戶編程，有利于解決外部設(shè)備的故障和增加設(shè)備分配的靈活性。

1.2.4 文件管理

文件是各種程序和數(shù)據(jù)的集合，也是用戶存放在計(jì)算機(jī)中最重要資源，稱為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟件資源。文件管理的功能有文件存儲空間的分配和回收、目錄管理、文件的存取控制、文件的安全與維護(hù)、文件邏輯地址與物理地址的映射及文件系統(tǒng)的安裝、卸載和檢查等，具體如下。

（1）文件的組織

系統(tǒng)按照文件的組織方式，可以有效地分配和回收文件的存儲空間，在存取文件時能夠確切地掌握文件所在的存取位置。

（2）文件的保護(hù)

在計(jì)算機(jī)外部存儲器上存放著很多的用戶文件和操作系統(tǒng)，為了保證這些文件的安全和保密，避免非法用戶訪問，操作系統(tǒng)對文件采取了嚴(yán)格的保護(hù)措施，以免文件被破壞。

（3）文件的共享

為了保證軟件資源的利用率，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)文件保護(hù)的同時也允許多個用戶同時訪問某些文件，實(shí)現(xiàn)資源的共享。

（4）文件操作接口統(tǒng)一

為了便于用戶對文件操作，用戶不需要掌握操作文件的詳細(xì)信息便可對文件進(jìn)行訪問，操作系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口，便利用戶通過文件名即可訪問文件。

1.2.5 作業(yè)管理

作業(yè)是指用戶要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理的一個問題。任何一個作業(yè)都要經(jīng)過若干個加工步驟才能得到結(jié)果，把作業(yè)的每一個加工步驟稱為一個“作業(yè)步”。作業(yè)管理包括作業(yè)的輸入和輸出，作業(yè)的調(diào)度與控制（根據(jù)用戶的需要控制作業(yè)運(yùn)行的步驟）。作業(yè)管理是用戶提交的諸多作業(yè)進(jìn)行管理，包括作業(yè)的組織、控制、和調(diào)度等，盡可能高效地利用整個系統(tǒng)的資源。

（1）作業(yè)控制

用戶可以根據(jù)某種形式向操作系統(tǒng)發(fā)出各種命令，以便對自己的作業(yè)加工與管理，一般包括批處理方式和交互方式。

（2）作業(yè)調(diào)度

當(dāng)有多個作業(yè)等待處理時，系統(tǒng)可以根據(jù)本身的能力和當(dāng)前正在運(yùn)行作業(yè)的情況，按照一定的算法，從后備作業(yè)隊(duì)列中選出一批作業(yè)，為它們分配所需的計(jì)算機(jī)資源，調(diào)入內(nèi)存以等待處理器處理。

（3）作業(yè)控制與管理

當(dāng)有多個用戶作業(yè)提出請求時，作業(yè)管理需要按照用戶的要求和作業(yè)的性質(zhì)調(diào)度其中某些作業(yè)進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。