OS- -操作系統(tǒng)概念

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• OS- -操作系統(tǒng)概念
• • 一、操作系統(tǒng)概念
  • • 進(jìn)程
    • 地址空間
    • 文件
    • 保護(hù)
    • shell

部分操作系統(tǒng)提供了特定的基礎(chǔ)概念和抽象，例如進(jìn)程、地址空間、文件等，它們是需要理解的核心 內(nèi)容。

一、操作系統(tǒng)概念

進(jìn)程

• 操作系統(tǒng)一個很關(guān)鍵的概念就是 進(jìn)程(Process)。進(jìn)程的本質(zhì)就是操作系統(tǒng)執(zhí)行的一個程序。
• 與每個 進(jìn)程相關(guān)的是地址空間(address space),這是從某個最小值的存儲位置(通常是零)到某個最大值的 存儲位置的列表。
• 在這個地址空間中，進(jìn)程可以進(jìn)行讀寫操作。地址空間中存放有可執(zhí)行程序，程序所 需要的數(shù)據(jù)和它的棧。
• 與每個進(jìn)程相關(guān)的還有資源集，通常包括寄存器(registers)(寄存器一般包 括程序計數(shù)器(program counter)和堆棧指針(stack pointer))、打開文件的清單、突發(fā)的報 警、有關(guān)的進(jìn)程清單和其他需要執(zhí)行程序的信息。你可以把進(jìn)程看作是容納運行一個程序所有信息的一 個容器。

• 對進(jìn)程建立一種直觀感覺的方式是考慮建立一種多程序的系統(tǒng)。
• 考慮下面這種情況：用戶啟動一個視頻編輯程序，指示它按照某種格式轉(zhuǎn)換視頻，然后再去瀏覽網(wǎng)頁。
• 同時，一個檢查電子郵件的后臺進(jìn)程被喚醒并開始運行
• 這樣，我們目前就會有三個活動進(jìn)程：視頻編輯器、Web瀏覽器和電子郵件接收程 序。

• 操作系統(tǒng)周期性的掛起一個進(jìn)程然后啟動運行另一個進(jìn)程，這可能是由于過去一兩秒鐘程序用完了CPU分配的時間片，而CPU轉(zhuǎn)而運行另外的程序。
• 像這樣暫時中斷進(jìn)程后，下次應(yīng)用程序在此啟動時，必須要恢復(fù)到與中斷時刻相同的狀態(tài)，這在我們用 戶看起來是習(xí)以為常的事情，但是操作系統(tǒng)內(nèi)部卻做了巨大的事情。

• 這就像和足球比賽一樣，一場完美 精彩的比賽是可以忽略裁判的存在的。這也意味著在掛起時該進(jìn)程的所有信息都要被保存下來。

• 例如， 進(jìn)程可能打開了多個文件進(jìn)行讀取。與每個文件相關(guān)聯(lián)的是提供當(dāng)前位置的指針(即下一個需要讀取的字節(jié)或記錄的編號)。當(dāng)進(jìn)程被掛起時，必須要保存這些指針，以便在重新啟動進(jìn)程后執(zhí)行的read 調(diào)用將能夠正確的讀取數(shù)據(jù)。

• 在許多操作系統(tǒng)中，與一個進(jìn)程有關(guān)的所有信息，除了該進(jìn)程自身地址空 間的內(nèi)容以外，均存放在操作系統(tǒng)的一張表中，稱為進(jìn)程表(process table),進(jìn)程表是數(shù)組或者鏈 表結(jié)構(gòu)，當(dāng)前存在每個進(jìn)程都要占據(jù)其中的一項。

• 所以，一個掛起的進(jìn)程包括：進(jìn)程的地址空間（往往稱作磁芯映像，core image,紀(jì)念過去的磁芯存 儲器），以及對應(yīng)的進(jìn)程表項（其中包括寄存器以及稍后啟動該進(jìn)程所需要的許多其他信息）。

• 與進(jìn)程管理有關(guān)的最關(guān)鍵的系統(tǒng)調(diào)用往往是決定著進(jìn)程的創(chuàng)建和終止的系統(tǒng)調(diào)用。

• 考慮一個典型的例 子，有一個稱為 命令解釋器（command interpreter）或shell的進(jìn)程從終端上讀取命令。此時， 用戶剛鍵入一條命令要求編譯一個程序。shell必須先創(chuàng)建一個新進(jìn)程來執(zhí)行編譯程序，當(dāng)編譯程序結(jié)束 時，它執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用來終止自己的進(jìn)程。

• 如果一個進(jìn)程能夠創(chuàng)建一個或多個進(jìn)程（稱為子進(jìn)程），而且這些進(jìn)程又可以創(chuàng)建子進(jìn)程，則很容易 找到進(jìn)程數(shù)，如下所示
  

• 上圖表示一個進(jìn)程樹的示意圖，進(jìn)程A創(chuàng)建了兩個子進(jìn)程B和進(jìn)程C,子進(jìn)程B又創(chuàng)建了三個子進(jìn)程 D、 E、 F合作完成某些作業(yè)的相關(guān)進(jìn)程經(jīng)常需要彼此通信來完成作業(yè)，這種通信稱為進(jìn)程間通信（interprocess communication）

• 其他可用的進(jìn)程系統(tǒng)調(diào)用包括：申請更多的內(nèi)存（或釋放不再需要的內(nèi)存），等待一個子進(jìn)程結(jié)束，用 另一個程序覆蓋該程序。

• 有時，需要向一個正在運行的進(jìn)程傳遞信息，而該進(jìn)程并沒有等待接收信息。例如，一個進(jìn)程通過網(wǎng)絡(luò) 向另一臺機器上的進(jìn)程發(fā)送消息進(jìn)行通信。為了保證一條消息或消息的應(yīng)答不丟失。發(fā)送者要求它所在 的操作系統(tǒng)在指定的若干秒后發(fā)送一個通知，這樣如果對方尚未收到確認(rèn)消息就可以進(jìn)行重新發(fā)送。在 設(shè)定該定時器后，程序可以繼續(xù)做其他工作。

• 在限定的時間到達(dá)后，操作系統(tǒng)會向進(jìn)程發(fā)送一個 警告信號（alarm signal）。這個信號引起該進(jìn)程 暫時掛起，無論該進(jìn)程正在做什么，系統(tǒng)將其寄存器的值保存到堆棧中，并開始重新啟動一個特殊的信 號處理程，比如重新發(fā)送可能丟失的消息。這些信號是軟件模擬的硬件中斷，除了定時器到期之外，該 信號可以通過各種原因產(chǎn)生。許多由硬件檢測出來的陷阱，如執(zhí)行了非法指令或使用了無效地址等，也 被轉(zhuǎn)換成該信號并交給這個進(jìn)程。

• 系統(tǒng)管理器授權(quán)每個進(jìn)程使用一個給定的UID(User IDentification)。每個啟動的進(jìn)程都會有一 個操作系統(tǒng)賦予的UID,子進(jìn)程擁有與父進(jìn)程一樣的UID，用戶可以是某個組的成員，每個組也有一個GID(Group IDentification)

• 在UNIX操作系統(tǒng)中，有一個UID是 超級用戶(superuser),或者Windows中的管理員 (administrator),它具有特殊的權(quán)利，可以違背一些保護(hù)規(guī)則。在大型系統(tǒng)中，只有系統(tǒng)管理員掌 握著那些用戶可以稱為超級用戶。

地址空間

• 每臺計算機都有一些主存用來保存正在執(zhí)行的程序。在一個非常簡單的操作系統(tǒng)中，僅僅有一個應(yīng)用程序運行在內(nèi)存中。為了運行第二個應(yīng)用程序，需要把第一個應(yīng)用程序移除才能把第二個程序裝入內(nèi)存。
• 復(fù)雜一些的操作系統(tǒng)會允許多個應(yīng)用程序同時裝入內(nèi)存中運行。為了防止應(yīng)用程序之間相互干擾(包括 操作系統(tǒng))，需要有某種保護(hù)機制。雖然此機制是在硬件中實現(xiàn)，但卻是由操作系統(tǒng)控制的。
• 上述觀點涉及對計算機主存的管理和保護(hù)。另一種同等重要并與存儲器有關(guān)的內(nèi)容是管理進(jìn)程的地址空 間。通常，每個進(jìn)程有一些可以使用的地址集合，典型值從0開始直到某個最大值。一個進(jìn)程可擁有的 最大地址空間小于主存。
• 在這種情況下，即使進(jìn)程用完其地址空間，內(nèi)存也會有足夠的內(nèi)存運行該進(jìn) 程。
• 但是，在許多32位或64位地址的計算機中，分別有2^32 或 2^64字節(jié)的地址空間。
• 如果一個進(jìn)程有 比計算機擁有的主存還大的地址空間，而且該進(jìn)程希望使用全部的內(nèi)存，那該怎么處理？在早期的計算 機中是無法處理的。
• 但是現(xiàn)在有了一種虛擬內(nèi)存的技術(shù)，正如前面講到過的，操作系統(tǒng)可以把部分地 址空間裝入主存，部分留在磁盤上，并且在需要時來回交換它們。

文件

• 幾乎所有操作系統(tǒng)都支持的另一個關(guān)鍵概念就是文件系統(tǒng)。

• 如前所述，操作系統(tǒng)的一項主要功能是屏蔽 磁盤和其他I/O設(shè)備的細(xì)節(jié)特性，給程序員提供一個良好、清晰的獨立于設(shè)備的抽象文件模型。

• 創(chuàng)建文 件、刪除文件、讀文件和寫文件都需要系統(tǒng)調(diào)用。在文件可以讀取之前，必須先在磁盤上定位和打開 文件，在文件讀過之后應(yīng)該關(guān)閉該文件，有關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用則用于完成這類操作。

• 為了提供保存文件的地方，大多數(shù)個人計算機操作系統(tǒng)都有目錄(directory)的概念，從而可以把文 件分組。

• 比如，學(xué)生可以給每個課程都創(chuàng)建一個目錄，用于保存該學(xué)科的資源，另一個目錄可以存放電 子郵件，再有一個目錄可以存放萬維網(wǎng)主頁。

• 這就需要系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建和刪除目錄、將已有文件放入目錄 中，從目錄中刪除文件等。目錄項可以是文件或者目錄，目錄和目錄之間也可以嵌套，這樣就產(chǎn)生了文 件系統(tǒng)
  

• 進(jìn)程和文件層次都是以樹狀的結(jié)構(gòu)組織，但這兩種樹狀結(jié)構(gòu)有不少不同之處。一般進(jìn)程的樹狀結(jié)構(gòu)層次不深(很少超過三層)，而文件系統(tǒng)的樹狀結(jié)構(gòu)要深一些，通常會到四層甚至五層。

• 進(jìn)程樹層次結(jié)構(gòu)是 暫時的，通常最多存在幾分鐘，而目錄層次則可能存在很長時間。

• 進(jìn)程和文件在權(quán)限保護(hù)方面也是有區(qū) 別的。一般來說，父進(jìn)程能控制和訪問子進(jìn)程，而在文件和目錄中通常存在一種機制，使文件所有者之 外的其他用戶也能訪問該文件。

• 目錄層結(jié)構(gòu)中的每一個文件都可以通過從目錄的頂部即 根目錄(Root directory)開始的路徑名 (path name)來確定。

• 絕對路徑名包含了從根目錄到該文件的所有目錄清單，它們之間用斜杠("/")分隔符 分開,最開始的斜杠分隔符代表的是根目錄/ ,也就是文件系 統(tǒng)的絕對路徑。

• 出于歷史原因，Windows下面的文件系統(tǒng)以("")來作為分隔符，但是Linux會以("/")作為分隔 符。

• 在上面的系統(tǒng)中，每個進(jìn)程會有一個 工作目錄(working directory),對于沒有以斜線開頭給出絕對地址的路徑，將在這個工作目錄下尋找。

• 如果/Faculty/Prof.Brown是工作目錄，那么/Courses/CS101與上面給定的絕對路徑名表示的是同一個文件。

• 進(jìn)程可以通過使用系統(tǒng)調(diào)用指定新 的工作目錄，從而變更其工作目錄。

• 在讀寫文件之前，首先需要打開文件，檢查其訪問權(quán)限。若權(quán)限許可，系統(tǒng)將返回一個小整數(shù)，稱作文 件描述符(file descriptor)，供后續(xù)操作使用。若禁止訪問，系統(tǒng)則返回一個錯誤碼。

• 在UNIX中，另一個重要的概念是 特殊文件(special file)。提供特殊文件是為了使I/O設(shè)備看起 來像文件一般。這樣，就像使用系統(tǒng)調(diào)用讀寫文件一樣，I/O設(shè)備也可以通過同樣的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行讀 寫。

• 特殊文件有兩種，一種是塊特殊文件(block special file)和 字符特殊文件(character special file)。塊特殊文件指那些由可隨機存取的塊組成的設(shè)備，如磁盤等。比如打開一個塊特殊 文件，然后讀取第4塊，程序可以直接訪問設(shè)備的第4塊而不必考慮存放在該文件的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

• 類似 的，字符特殊文件用于打印機、調(diào)制解調(diào)起和其他接受或輸出字符流的設(shè)備。按照慣例，特殊文件保存 在/dev目錄中。例如，/devv/lp是打印機。

還有一種與進(jìn)程和文件相關(guān)的特性是管道，管道(pipe)是一種虛文件，他可以連接兩個進(jìn)程

• 如果A和B希望通過管道對話，他們必須提前設(shè)置管道。當(dāng)進(jìn)程A相對進(jìn)程B發(fā)送數(shù)據(jù)時，它把數(shù)據(jù) 寫到管道上，相當(dāng)于管道就是輸出文件。這樣，在UNIX中兩個進(jìn)程之間的通信就非常類似于普通文件 的讀寫了。

保護(hù)

• 計算機中含有大量的信息，用戶希望能夠?qū)@些信息中有用而且重要的信息加以保護(hù)，這些信息包括電子郵件、商業(yè)計劃等，管理這些信息的安全性完全依靠操作系統(tǒng)來保證。例如，文件提供授權(quán)用戶訪 問。
• 比如UNIX操作系統(tǒng)，UNIX操作系統(tǒng)通過對每個文件賦予一個9位二進(jìn)制保護(hù)代碼，對UNIX中的文 件實現(xiàn)保護(hù)。該保護(hù)代碼有三個位子段，一個用于所有者，一個用于與所有者同組(用戶被系統(tǒng)管理員 劃分成組)的其他成員，一個用于其他人。
• 每個字段中有一位用于讀訪問，一位用于寫訪問，一位用于 執(zhí)行訪問。這些位就是著名的「wx位。例如，保護(hù)代碼rwxr-x–x的含義是所有者可以讀、寫或 執(zhí)行該文件，其他的組成員可以讀或執(zhí)行(但不能寫)此文件、而其他人可以執(zhí)行(但不能讀和寫)該 文件。

shell

• 操作系統(tǒng)是執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的代碼。
• 編輯器、編譯器、匯編程序、鏈接程序、使用程序以及命令解釋符 等，盡管非常重要，非常有用，但是它們確實不是操作系統(tǒng)的組成部分。
• 下面我們著重介紹一下UNIX 下的命令提示符，也就是shell , shell雖然有用，但它也不是操作系統(tǒng)的一部分，然而它卻能很好 的說明操作系統(tǒng)很多特性，下面我們就來探討一下。
• shell有許多種，例如sh、csh、ksh以及bash等，它們都支持下面這些功能，最早起的shell可以追 溯到sh
• 用戶登錄時，會同時啟動一個shell,它以終端作為標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出。首先顯示提示符 (prompt),它可能是一個美元符號($),提示用戶shell正在等待接收命令，假如用戶輸入

data

• shell會創(chuàng)建一個子進(jìn)程，并運行date做為子進(jìn)程。在該子進(jìn)程運行期間，shell將等待它結(jié)束。在子進(jìn) 程完成時，shell會顯示提示符并等待下一行輸入。
• 用戶可以將標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到一個文件中，例如

date > file

• 同樣的，也可以將標(biāo)準(zhǔn)輸入作為重定向

sort <filel> file2

• 這會調(diào)用sort程序來接收filel的內(nèi)容并把結(jié)果輸出到file2
• 可以將一個應(yīng)用程序的輸出通過管道作為另一個程序的輸入，因此有

cat filei file2 file3 | sort > /dev/lp

• 這會調(diào)用cat應(yīng)用程序來合并三個文件，將其結(jié)果輸送到sort程序中并按照字典進(jìn)行排序。sort應(yīng)用 程序又被重定向到/dev/lp ,顯然這是一個打印操作。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的OS- -操作系统概念的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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