Lecture 1: Introduction

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#操作系统

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本章小结：

Introduction to operating systems 操作系统简介
Operating systems in terms of abstractions and resource managers 抽象和资源管理器方面的操作系统

定义操作系统

文件系统(File systems)：文件在磁盘上的物理写入位置以及如何检索它？
摘要(Abstraction)：为什么与设备无关的指令看起来是一样的？
并发(Concurrency)：如果多个程序同时访问同一个文件怎么办？
安全性(Security)：为什么拒绝访问？

在内存的哪里将阵列存储，以及如何保护它免受未经授权的访问？
如果数组需要比物理可用内存更多的内存怎么办？
如果当前只有部分数组在使用怎么办？
如果另一个进程开始运行怎么办？

提供抽象的虚拟机(Virtual Machine)

在早期，程序员必须直接与硬件打交道：真正的计算机硬件极难操作/编程
操作系统是硬件之上的一个间接层：

它为应用程序（例如，文件系统）提供抽象。
它为硬件提供了一个更简洁、更简单的接口，并隐藏了“裸机”的复杂性。
它允许程序员通过使用常规程序来偷懒

资源管理器

许多现代操作系统使用多道程序设计(multi-programming)来改善用户体验和最大化资源利用率
磁盘很慢：没有多路编程，在等待I/O请求时浪费CPU时间；想象一下：

CPU运行在3.2 GHz（大约3.2×10^9指令/秒)
一个磁盘(disk)以7200 RPM的速度旋转，旋转半个磁道需要4.2 ms
I/O很慢，我们错过了3.2×4.2×106指令（13.44m）！

多程序设计的实现对操作系统的设计有着重要的影响

操作系统必须在竞争进程之间公平安全地分配/共享资源（包括CPU、内存、I/O设备）：

时间资源，例如cpu和打印机
空间资源，例如存储器和磁盘

多个程序（进程）的执行需要彼此交错：这需要上下文切换(context switches)和进程调度(process scheduling)=>互斥(mutual exclusion)，死锁避免(deadlock avoidance)，保护(protection)，…

多道程序设计(multi-programming)

是一种计算机操作系统的运行方式，它允许同时运行多个程序。

在多道程序设计中，操作系统将CPU时间分割成很短的时间片（时间段），并在每个时间片中将CPU分配给不同的程序。这样，多个程序可以并发地执行，从而提高了系统的吞吐量和利用率。

上下文切换(context switches)

在计算机操作系统中，当一个任务被暂停以便另一个任务可以运行时，所发生的过程。这涉及保存当前任务的状态，以便稍后可以恢复，然后加载另一个任务的状态。

进程调度(process scheduling)

操作系统核心功能，负责在多进程环境中合理分配CPU资源。主要包括长程、中程和短程三类调度，其中短程调度（CPU调度）最为关键。常见调度算法有先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转（RR）和优先级调度等，各有优缺点。多级反馈队列（MFQ）因兼具公平性和适应性成为实际常用方案。调度性能指标包括周转时间、响应时间等。

互斥(mutual exclusion)

防止多个线程或进程同时访问共享资源（如内存、文件、变量等）所采取的一种机制。它是实现并发安全（Concurrency Safety）的核心。互斥的本质是：同一时间只允许一个执行单元（线程或进程）访问某个临界资源（Critical Resource）。

死锁避免(deadlock avoidance)

要求操作系统事先得到有关进程申请资源和使用资源的额外信息。有了这些额外信息，系统可以确定：对于一个申请，进程是否应等待。为了确定当前申请是允许还是延迟，系统必须考虑可用资源，已经分配给每个进程的资源，每个进程将来申请和释放的资源。除此之外，系统还可以提供一个算法来检查系统状态来确定死锁是否发生，并提供另一个算法来从死锁中恢复。