操作系统在计算机体系中的位置

内核的功能

内存管理

• 内存分配调用
  包括静态分配方式、动态分配方式；
• 内存保护
  确保每个程序在自己的内存空间运行、互不干扰。方法是使用界限 寄存器或存储保护键；
• 地址映射
  实现程序的逻辑地址与存储器的物理地址之间的映射功能；
• 内存扩充
  从逻辑上扩充物理内存，以允许比物理内存更大的程序在机器内运 行，为此操作系统必须具有：请求调入功能与置换功能

进程管理

• 进程控制
  包括进程创建、进程撤销、进程阻塞、进程唤醒
• 进程协调
  由于进程运行的异步性，因此进程同步的任务是对诸进程的运行协 调，包括两种方式：进程互斥方式与进程同步方式；
• 进程通信
  主要完成同一台机器上不同进程间通信和不同机器上进程间的通信， 以共同完成一相同的任务；
• 进程调度
  操作系统按照一定的规则对等待运行的多道程序进行调度，以保证 每个程序都能有机会得到运行，并最终完成

文件管理

• 文件存储空间的管理
  为每一文件分配必要的外存空间。为提高外部存储 空间的利用率，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；
• 目录管理
  为了方便对用户的文件进行管理，对文件系统建立一定结构的目录 结构，同时要求快速的目录查询手段；
• 文件的读、写管理和存取控制
  利用一定的系统调用对文件进行读写操 作。同时，为防止系统中的文件被非法访问和窃取，文件系统中必须提供有效存取 控制功能；

设备管理

• 缓冲管理
  管理各种类型的缓冲区，如字符缓冲区和块缓冲区，以缓和CPU和 I/O速度不匹配的矛盾，最终达到提高CPU和I／O设备的利用率，进而提高系统吞吐 量的目的；
• 设备管理
  根据用户的I/O请求，为之分配其所需要的设备；
• 设备处理
  又称为设备驱动程序，任务是实现CPU和设备控制器之间的通信；
• 设备独立性和虚拟设备
  一方面保证用户程序独立于物理设备，另一方面 保证多个进程能并发地共享同一个设备；

UNIX/Linux操作系统架构

系统调用与库函数

操作用户接口

• 命令接口：以命令形式呈现在用户面前，方便用户直接或间接控制自己的作业
• 程序接口：为应用程序使用系统功能而设置，是应用程序取得操作系统服务的 唯一途径。由一系列系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子 程序。
• 图形接口：采用了图形化的操作界面，将各种应用程序和文件，直观、逼真地 表示出来。

系统调用

• 系统调用是内核提供的程序接口，是应用程序和硬件设备之间的中间层：
  • 为应用程序提供了系统服务和硬件抽象能力，例如，当需要读文件时，应用程序可以不管磁盘类 型和介质，甚至不用去管文件所在的文件系统到底是哪种类型；
  • 系统调用保证了系统的稳定和安全
  • 每个进程都运行在虚拟系统中

系统调用的类型

• 文件操作类系统调用：如打开、创建、读取、删除、修改文件；
• 进程控制类系统调用：如创建进程、设置或获取进程属性等；
• 通信类系统调用：创建进程间的通信连接，发送、接收消息，或其他的通信 方式；
• 设备管理类系统调用：打开、关闭和操作设备；
• 信息维护类系统调用：在用户程序和OS之间传递信息。例如，系统向用户 程序传送当前时间、日期、操作系统版本号等。

系统调用与C库函数的关系

• 系统调用和C库函数之间并不是一一对应 的关系，可能几个不同的函数会调用到同 一个系统调用：
  • malloc函数和free函数都是通过sbrk系统调用来扩大 或缩小进程的堆栈空间；
  • execl、execlp、execle、execv、execvp和execve 函数都是通过execve系统调用来执行一个可执行文件
• 并非所有的库函数都会调用系统调用，例 如，printf函数会调用write系统调用以输 出一个字符串，但strcpy和atoi函数则不 使用任何系统调用
  

C库函数、系统调用

• 一般而言，应用程序使用API而不是直接使用系统调用来编程