7.3 操作系统的组成

现代操作系统至少有以下功能：
存储管理，进程管理，设备管理，文件管理
还有一个用户界面，负责操作系统与外界通信。

7.3.1 用户界面

每个操作系统都有用户界面，即是用来接收用户的输入，并向操作系统解释这些请求的程序。
用户界面在一些操作系统（Unix，Linux）中称为命令解释程序（Shell）。在另一些操作系统（Windows）中，被称为窗口。

7.3.2 内存管理

内存管理是操作系统的重要职责。
操作系统按照内存管理方式分为两类：

• 单道程序：大多数内存装载单一的程序，一部分装载操作系统。
• 多道程序：同一时刻可以装入多个程序，并且能够同时被执行，CPU轮流为其服务。

虚拟内存

操作系统使用磁盘上的文件或者分区，和物理内存一起，共同构成内存系统。磁盘上的文件或者分区作为虚拟内存使用。虚拟内存的大小一般为物理内存的1-2倍。
在需要时，虚拟内存的数据被加载到内存中，以备CPU使用，同时把一部分数据从内存中移动到虚拟内存中。所以虚拟内存文件也称为交换文件。

7.3.3 进程管理

基本术语

• 程序（program）：是由程序员编写的一组稳定的指令，存在磁盘上，它可能会也可能不会成为作业。

• 作业（job）：从一个程序被选中执行，到其运行结束并再次成为一个程序的这段过程中，该程序称为作业。

• 进程（process）：是一个运行中的程序，该程序开始运行但还未结束。进程是驻留在内存中运行的作业。

• 线程（thread）：是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。
  每个作业都是程序，但不是所有程序都是作业。
  每个进程都是作业，但不是所有作业都是进程。

• 分时：资源可以被不同的作业分享，每个作业可以分到一段时间来使用资源。

• 调度：给不同的程序分配资源并决定哪一个程序什么时候使用哪一种资源。

程序状态分界图

说明：
一个程序当被操作系统选中时就成为作业，并且成为保持状态。
当内存整体或部分地载入这个程序时，作业成为进程，并且转成就绪状态。
当CPU运行它时，程序转成运行状态。
运行状态的三种结果：

• 进程运行直到它需要I/O资源，则进入等待状态，直到I/O结束，回到就绪状态。
• 进程耗尽所分配的时间片，则进入就绪状态。
• 进程终止，则退出内存，成为作业，进入终止状态。

调度器

进程管理使用两个调度器，实现将作业或进程从一个状态改变为另一个状态。

• 作业调度器：将一个作业从保持状态转入就绪状态，或是从运行状态转入终止状态。

• 进程调度器：进程调度器将一个进程在就绪，运行和等待的状态间转换。

队列

操作系统在运行中，会有很多的作业和进程相互竞争计算机资源。
为了处理多个进程和作业，进程管理器使用队列进行协调。并根据一定策略选择下一个作业或进程来执行。

进程同步

所有的进程管理思想都是让拥有不同资源的不同进程同步。
因为只要资源可以被多个用户（进程）同时使用，那么它就有可能产生两种有问题的状态：死锁和饿死。

• 死锁

  死锁发生在操作系统允许一个进程运行，而不检查它所必需的资源是否全部准备好，是否允许这个进程占有资源直到它不需要为止。
  操作系统没有对进程的资源进行限制时将会发生死锁。

  

  另一个死锁的例子：在桥上的死锁

  

  死锁发生需要4个必要条件：

    互斥：一个资源只能被一个进程占有。  
    资源占有：一个进程占有一个资源，即使在获取其他资源之前无法使用它。  
    抢先：操作系统不能临时对资源重新分配。  
    循环等待：所有的进程和资源包含在一个循环里。  
  

• 饿死

  饿死是一种与死锁相反的情况。发生在当操作系统对进程分配资源有太多限制的时候。

  

  另一个饿死的例子：哲学家就餐问题（要同时使用两根筷子）

  

7.3.4 设备管理器

设备管理器负责访问输入/输出设备。

基本功能：

• 设备管理器不停地监视所有的输入/输出设备，以保证他们能够正常运行，还要指导哪个设备已经就绪，可以为下一个进程服务。

• 设备管理器为输入/输出设备维护一个或多个队列。

• 设备管理器控制用于访问输入/输出设备的不同策略。

7.3.5 文件管理器

文件管理器用来控制对文件的访问。

基本功能：

• 文件管理器控制文件的访问，只有那些获得允许的应用程序才能够访问，访问方式也可以不同。

• 文件管理器管理文件的命名、创建、删除和修改。

• 文件管理器管理文件怎样存储，存在哪里。

• 文件管理器负责归档和备份。