1、操作系统概述1.1 操作系统的定义操作系统的定义1.1.1 操作系统的虚拟机观点操作系统的虚拟机观点 用户1用户2用户3用户4应用程序命令解释程序、编译程序、编辑程序等操作系统计算机硬件（裸机）1.1.2 操作系统的资源管理观点操作系统的资源管理观点 在一个计算机系统中，通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息（数据和程序）。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理，主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理，负责I/O设备的分配与操纵；文件管理，负责文件的存取、共享和保护。
2、可见，OS确是计算机系统资源的管理者。这是从管理者的角度来看。OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。从用户角度来看。1.1.3 操作系统的用户服务观点操作系统的用户服务观点 (1)命令输入。形式又分为以下几种：命令行（Command Line Input）：由OS提供的一组联机命令（语言），用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。图形用户界面（GUI）：用户通过显示设备上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。自然输
3、入方式（NUI）：用户通过语音识别输入来操纵计算机系统和运行自己的程序。(2)系统调用方式（System Call）。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的使用编程调用（API），来操纵计算机。在一个计算机系统中，进程是一个动态的概念，并具有并发性。并发会引起资源的竞争、共享等制约和配合等问题。从并发过程的执行来讨论操作系统就是从进程角度的观点来观察操作系统。1.1.4 操作系统的进程管理观点操作系统的进程管理观点 1.2 操作系统的形成过程操作系统的形成过程 1.2.1 人工操作阶段人工操作阶段 从第一台计算机ENIAC诞生(1945年2月)到50年代中期的计算机，属于第
4、一代。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1)用户独占全机 (2)串行工作 (3)CPU等待人工干预 1.2.2 单道批处理阶段单道批处理阶段 1.早期批处理早期批处理把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始2.脱机批处理脱机批处理 这种脱机I/O方式的主要优点如下：(1)减少了CPU的空闲时间。(2)(2)提高I/O速度。当引入中断和通道技术后，计算机具备了处理机和外部设备并行操作的能力。执行系统包含：(1)IO控制程序 (2)中断处理程序 (3)管理程序 3.执行系统阶段执行系统阶段1.2.3 多道程序系统阶段多道程序系
5、统阶段 1.多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 多道程序技术的主要思想是在内存中同时放入若干道用户作业或者说若干道用户程序，并允许它们交替执行，共享系统中的各种硬件与软件资源。多道程序系统不仅使CPU得到了充分利用，还改善了I/O设备和内存的利用率。2.多道程序设计需要妥善解决的问题多道程序设计需要妥善解决的问题(1)内存的分配和保护(2)处理机的管理和分配(3)I/O设备的管理和分配(4)文件存储空间的组织与管理1.2.4 进一步发展阶段进一步发展阶段 微型计算机操作系统指配置在微型计算机上的操作系统。目前比较流行的微型计算机操作系统有单用户多任务（如Microsoft的Windo
6、ws系列个人用户版操作系统）和多用户多任务（如SUN公司的Solaris系列操作系统和Linux操作系统等）两种类型。1.微型计算机操作系统微型计算机操作系统 网络操作系统是配置在计算机网络系统上操作系统。网络操作系统是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，并为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。网络操作系统应具有通用操作系统所具有的处理及管理、存储管理、设备管理和文件管理外，还应具有高效可靠的网络通信能力和各种有效的网络服务。2.网络操作系统网络操作系统 分布式操作系统是配置在分布式计算机上的一种操作系统。分布式操作系统与网络操作系统的最主要区别是系统对用户的透明性。在网
7、络操作系统中，用户通过网络服务器的名称来获得资源，系统结构对用户是不透明的；在分布式操作系统中，用户只需通过服务的名称即可获得资源，系统结构对用户是透明的。3.分布式操作系统分布式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式应用的操作系统，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统大多用于机电设备、仪器等专用控制方面，并具有十分广泛的应用和发展前景。4.嵌入式操作系统嵌入式操作系统1.3 操作系统的基本类型操作系统的基本类型 1.3.1 多道批处理系统多道批处理系统 多道批处理系统实际上是批处理技术和
8、多道程序技术相结合的产物，出现于20世纪60年代初期。1.运行方式：2.多道批处理系统的特征多道批处理系统的特征(1)多道性。多道性。(2)(2)无序性。无序性。(3)(3)调度性。调度性。3.多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点(1)资源利用率高。(2)(2)系统吞吐量大。(3)(3)平均周转时间长。(4)(4)无交互能力。1.3.2 分时系统分时系统 1.分时系统分时系统(Time-Sharing System)的产生的产生 如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。或者说，分时系统是为了满
9、足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以下几个方面：(1)人机交互。(2)共享主机。(3)便于用户上机。2.分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题 为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。此后，用户可继续键入下一条命令，此即人机交互。应强调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理，评价其性能好坏的主要指标是响应时间。(1)及时接收。(2)及时处理。3.分时系统的特征分时
10、系统的特征(1)多路性。(2)(2)独立性。(3)(3)及时性。(4)(4)交互性。1.3.3 实时系统实时系统 所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。1.实时系统的类型实时系统的类型(1)实时控制系统。(2)(3)(2)实时信息处理系统。2.实时系统的特征实时系统的特征(1)多路性。(2)(2)独立性。(3)(3)及时性。(4)(4)交互性。(5)(5)可靠性。1.3.4 通用操作系统通用操作系统 批处理系统、分时系统和实时系统只是3种基本的操
11、作系统类型，一个实际的操作系统则可能同时兼有其中三者或两者的功能，如果一个操作系统同时具有其中两者或两者以上的功能，则称为通用操作系统1.4 操作系统的基本特性操作系统的基本特性 1 并发并发(Concurrence)并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行
12、，即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。2 共享共享(Sharing)在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式。(1).互斥共享方式互斥共享方式 系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源。为此，当一个进程A要访问某资源时，必须先提出请求，如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程A使用，此后若再有其它进程也要访
13、问该资源时(只要A未用完)则必须等待。仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。(2).同时访问方式同时访问方式 系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件，也可以被“同时”共享，即若干个
14、用户同时访问该文件。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。3 虚拟虚拟(Virtual)操作系统中的所谓“虚拟”，是指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。物理实体(前者)是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存
15、、虚拟外部设备和虚拟信道等。在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。此时，虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。亦即，利用多道程序设计技术，把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚拟处理机，我们把用户所感觉到的CPU称为虚拟处理器。类似地，可以通过虚拟存储器技术，将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。此时，虽然物理内存的容量可能不大(如32 MB)，但它可以运行比它大得多的用户程序(如128 MB)。这使用户所感觉到的内存容量比实际内存容
16、量大得多，认为该机器的内存至少也有128 MB。当然这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户所感觉到的存储器称为虚拟存储器。我们还可以通过虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源)，变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。例如，原来的打印机属于临界资源，而通过虚拟设备技术，可以把它变为多台逻辑上的打印机，供多个用户“同时”打印。此外，也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道)。在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然，如果n是某物理设
17、备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1/n。4 异步性异步性(Asynchronism)在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时打印机正在为其它某进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。内存
18、中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成；而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统的一个重要特征。1.5 操作系统的服务操作系统的服务 1.5.1 操作系统的公共服务操作系统的公共服务 1.程序执行2
19、.I/O操作3.文件系统管理4.通信5.资源分配6.差错处理1.5.2 操作系统的服务方式操作系统的服务方式 1.系统调用2.系统程序1.6 操作系统的功能操作系统的功能 1.6.1 用户接口用户接口 1.命令接口命令接口 (1)联机用户接口。这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。当用户在终端或控制台上每键入一条命令后，系统便立即转入命令解释程序，对该命令加以解释并执行该命令。在完成指定功能后，控制又返回到终端或控制台上，等待用户键入下一条命令。这样，用户可通过先后键入不同命令的方式，来实现对作业的控制，直至作业完成。(2)脱机用户接口。该接口是为批处理作业的用户提供
20、的，故也称为批处理用户接口。该接口由一组作业控制语言JCL组成。批处理作业的用户不能直接与自己的作业交互作用，只能委托系统代替用户对作业进行控制和干预。这里的作业控制语言JCL便是提供给批处理作业用户的、为实现所需功能而委托系统代为控制的一种语言。用户用JCL把需要对作业进行的控制和干预，事先写在作业说明书上，然后将作业连同作业说明书一起提供给系统。当系统调度到该作业运行时，又调用命令解释程序，对作业说明书上的命令，逐条地解释执行。如果作业在执行过程中出现异常现象，系统也将根据作业说明书上的指示进行干预。这样，作业一直在作业说明书的控制下运行，直至遇到作业结束语句时，系统才停止该作业的运行。2
21、.程序接口程序接口 该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用。早期的系统调用都是用汇编语言提供的，只有在用汇编语言书写的程序中，才能直接使用系统调用；但在高级语言以及C语言中，往往提供了与各系统调用一一对应的库函数，这样，应用程序便可通过调用对应的库函数来使用系统调用。但在近几年所推出的操作系统中，如UNIX、OS/2版本中，其系统调用本身已经采用C语言编写，并以函数形式提供，故在用C语言编制的程序中，可直接
22、使用系统调用。3.图形用户接口图形用户接口 用户虽然可以通过联机用户接口来取得OS的服务，但这时要求用户能熟记各种命令的名字和格式，并严格按照规定的格式输入命令，这既不方便又花时间，于是，图形用户接口便应运而生。图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标(icon)来将系统的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。用户可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应用程序和文件的操作。此时用户已完全不必像使用命令接口那样去记住命令名及格式，从而把用户从繁琐且单调的操作中解脱出来。1.6.2 处理机管理功能处理机管理功能 1.进程控制进程控制 在传统的多道程序环境下，要使作业
23、运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行结束时，立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。在现代OS中，进程控制还应具有为一个进程创建若干个线程的功能和撤消(终止)已完成任务的线程的功能。2.进程同步进程同步 为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式：进程互斥方式，这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)
24、间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。为了实现进程同步，系统中必须设置进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一个临界资源配置一把锁W，当锁打开时，进程(线程)可以对该临界资源进行访问；而当锁关上时，则禁止进程(线程)访问该临界资源。3.进程通信进程通信 在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程(线程)之间，又往往需要交换信息。例如，有三个相互合作的进程，它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算，并
25、把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。当相互合作的进程(线程)处于同一计算机系统时，通常在它们之前是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接将消息(message)挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。4.调度调度 在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执行。在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步。作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程，使它们
26、都成为可能获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将它们插入就绪队列。而进程调度的任务，则是从进程的就绪队列中选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入执行。值得提出的是，在多线程OS中，通常是把线程作为独立运行和分配处理机的基本单位，为此，须把就绪线程排成一个队列，每次调度时，是从就绪线程队列中选出一个线程，把处理机分配给它。1.6.3 存储管理存储管理 1.内存分配内存分配 OS在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式。在静态分配方式中，每个作业的内存空间是在作业装入时确定的；在作业装入后的整个运行期间，不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”；在动
27、态分配方式中，每个作业所要求的基本内存空间，也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中，继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨，也允许作业在内存中“移动”。为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：内存分配数据结构，该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据；内存分配功能，系统按照一定的内存分配算法，为用户程序分配内存空间；内存回收功能，系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求，去完成系统的回收功能。2.内存保护内存保护 内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行，必须
28、设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统须对每条指令所要访问的地址进行检查，如果发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。如果这种检查完全用软件实现，则每执行一条指令，便须增加若干条指令去进行越界检查，这将显著降低程序的运行速度。因此，越界检查都由硬件实现。当然，对发生越界后的处理，还须与软件配合来完成。3.地址映射地址映射 一个应用程序(源程序)经编译后，通常会形成若干个目标程序；这些目标程序再经过链接便形成了可装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的；由这些地址所形成的
29、地址范围称为“地址空间”，其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中的地址称为“物理地址”。在多道程序环境下，每道程序不可能都从“0”地址开始装入(内存)，这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空间中的物理地址不相一致。使程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。4.内存扩充内存扩充 存储器管理中的内存扩充任务，并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多；或者是让更
30、多的用户程序能并发运行。这样，既满足了用户的需要，改善了系统的性能，又基本上不增加硬件投资。为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能：(1)请求调入功能。(2)置换功能。1.6.4 设备管理设备管理 设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备，而设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。1.缓冲管理缓冲管理 CPU运行的高速性和I/O低速性间的矛盾自计算机诞生时起便已存在。
31、而随着CPU速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更为突出，严重降低了CPU的利用率。如果在I/O设备和CPU之间引入缓冲，则可有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，进而提高系统吞吐量。因此，在现代计算机系统中，都毫无例外地在内存中设置了缓冲区，而且还可通过增加缓冲区容量的方法，来改善系统的性能。最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制，以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。2.设备分配设备分配 设备分配的基本任务，是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间，还
32、存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。为了实现设备分配，系统中应设置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。据这些表格可以了解指定设备当前是否可用，是否忙碌，以供进行设备分配时参考。在进行设备分配时，应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备(临界资源)的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。设备使用完后，还应立即由系统回收。3.设备处理设备处理 设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之
33、由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性，了解设备状态是否是空闲的，了解有关的传递参数及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备去完成指定的I/O操作。设备驱动程序还应能及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型，调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统，设备处理程序还应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。1.6.5 文件管理文件管理 1.文件存储空间的管理文件存储空间的管理 由文件系统对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。其主要任务是为每个文件
34、分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度。为此，系统应设置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时参考；系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。为了提高存储空间的利用率，对存储空间的分配，通常是采用离散分配方式，以减少外存零头，并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为512 B8 KB。2.目录管理目录管理 为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又可构成一个目录文件。目录管理的主要任务，是为每个文件建立其目录项，并对众多的目
35、录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取。即用户只须提供文件名，即可对该文件进行存取。其次，目录管理还应能实现文件共享，这样，只须在外存上保留一份该共享文件的副本。此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。3.文件的读文件的读/写管理和保护写管理和保护 (1)文件的读文件的读/写管理。写管理。该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入外存。在进行文件读(写)时，系统先根据用户给出的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读(写)指针，对文件进行读(写)。一旦读(写)完成，便修改读(写)指针，为下一次读(写)做好准备。由于读和写操作不会同时
36、进行，故可合用一个读/写指针。(2)文件保护。文件保护。防止未经核准的用户存取文件；防止冒名顶替存取文件；防止以不正确的方式使用文件。1.7 操作系统的结构操作系统的结构1.7.1 整体式系统整体式系统 整体式结构是早期操作系统和一些较小的操作系统所采用的一种结构模式。它实际上是没有结构的，整个系统是一堆过程的集合，每个过程都可以随意调用其他过程。整体式系统提供了两种处理机模式：(1)用户态（运行用户程序）(2)核心态（运行操作系统）整体式系统也存在一些很低的结构化，一般来说，其所有过程可大致分为3层：最高层：主程序，调用所需的服务过程 中间层：一组服务过程，执行系统调用 最底层：一组公共过程
37、，用来支持各服务过程 1.7.2 层次式系统层次式系统 层次系统是指按照操作系统中模块的功能和相互依存关系将其划分为若干个层次，除最底层模块外，任一层模块都建立在下一层模块的基础上，即任一层模块都只能调用其下层模块来得到服务，而不能调用其上层模块。层次式系统的结构1.7.3 客户客户/服务器系统服务器系统 在客户/服务器系统中，需要把操作系统的服务功能划分为若干个服务进程，并让这些进程在用户态下运行。其中的每一个服务进程称为一个服务器，如内存服务器、进程服务器、终端服务器、文件服务器等。用户进程则称为客户进程。客户/服务器系统的结构 客户/服务器系统的主要优点有两方面。第一，提高系统的可靠性。由于每个服务器都以独立的用户态进程方式运行，因此，当单个服务器出现故障时，不会引起操作系统其他部分的崩溃。第二，适合于分布式系统中的应用。如果一个客户与一个服务器通信，当客户把请求发送给服务器后，不必知道该请求是在本地计算机上处理，还是通过网络被发送到其他计算机上进行处理。
