操作系統(tǒng)基礎知識

1、2021-11-21計算機操作系統(tǒng)1計算機操作系統(tǒng)（Operating System）2021-11-21計算機操作系統(tǒng)2課程要求 平時成績 成績構成：考勤點名 + 課堂提問/討論 + 其他表現(xiàn) 上機實驗成績 成績構成：6次上機實驗成績 期末筆試 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)3第一章 操作系統(tǒng)引論2021-11-21計算機操作系統(tǒng)4本章內容提綱操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的結構設計2021-11-21計算機操作系統(tǒng)5什么是計算機操作系統(tǒng)？ 計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，操計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件組成

2、的，操作系統(tǒng)是硬件基礎上的第一層軟件，是作系統(tǒng)是硬件基礎上的第一層軟件，是對操作系統(tǒng)的第一層擴充。對操作系統(tǒng)的第一層擴充。 安裝了操作系統(tǒng)的計算機稱為虛擬機安裝了操作系統(tǒng)的計算機稱為虛擬機(virtual machine),(virtual machine), 是對裸機的擴展是對裸機的擴展. .2021-11-21計算機操作系統(tǒng)6操作系統(tǒng)所在的位置 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)7操作系統(tǒng)將丑陋的硬件轉變?yōu)槊利惖某橄?021-11-21計算機操作系統(tǒng)8操作系統(tǒng)的作用：操作系統(tǒng)的作用： 用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口 實現(xiàn)了對計算機資源的抽象（實現(xiàn)了對計算機資源

3、的抽象（uglybeautiful） 計算機資源的管理者計算機資源的管理者 處理機、存儲器，處理機、存儲器，I/O，信息，信息 命令方式命令方式 cmd，ping 系統(tǒng)調用方式系統(tǒng)調用方式 count=read（fd,buffer,nbytes） 圖形、窗口方式圖形、窗口方式2021-11-21計算機操作系統(tǒng)9操作系統(tǒng)的目標：操作系統(tǒng)的目標： 有效性有效性 方便性方便性 可擴充性：功能可擴充可擴充性：功能可擴充 開放性開放性 linux android2021-11-21計算機操作系統(tǒng)10操作系統(tǒng)的發(fā)展史及分類操作系統(tǒng)的發(fā)展史及分類n無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)n單道批處理系統(tǒng)

4、單道批處理系統(tǒng)n多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)n分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)n實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)2021-11-21計算機操作系統(tǒng)11無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)ENIAC計算機計算機 （ 美國賓夕法尼亞大學）運算速度：運算速度： 5000次/每秒 真空管：真空管： 18000個 占地面積：占地面積： 182平方米 重重 量量 ： 130噸 功功 耗耗 ： 140kW 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)12無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 從第一臺計算機誕生從第一臺計算機誕生(1945年年)到到50年代中期的年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)

5、OS。 人工操作方式人工操作方式：這時的計算機操作是由用戶：這時的計算機操作是由用戶(即程序員即程序員)采用人工操作方式直接使用計算機采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)。 由程序員將事先已穿孔由程序員將事先已穿孔(對應于程序和數(shù)據對應于程序和數(shù)據)的的紙帶紙帶(或卡片或卡片)裝入紙帶輸入機裝入紙帶輸入機(或卡片輸入機或卡片輸入機)，再啟動它們將程序和數(shù)據輸入計算機，再啟動它們將程序和數(shù)據輸入計算機， 然后啟然后啟動計算機運行。當程序運行完畢并取走計算結動計算機運行。當程序運行完畢并取走計算結果后，果后， 才讓下一個用戶上機。才讓下一個用戶上機。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)1

6、3 1張穿孔卡片等于100個字節(jié) 1MB=10K卡片 這種人工操作方式有以下兩方面的缺點：這種人工操作方式有以下兩方面的缺點： (1) 用戶獨占全機。用戶獨占全機。 (2) CPU等待人工操等待人工操作。作。沒有輸入輸出設備，再好的計算機也無法發(fā)揮作用沒有輸入輸出設備，再好的計算機也無法發(fā)揮作用 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)14 脫機輸入脫機輸入/輸出方式輸出方式 (Off-Line I/O) 脫機：通過專門的外圍機脫機：通過專門的外圍機來控制輸入到磁帶上和輸來控制輸入到磁帶上和輸出到卡片上，當出到卡片上，當CPU需要需要這些數(shù)據時再從磁帶上將這些數(shù)據時再從磁帶上將其高速調入內存。其高速

7、調入內存。n減少了減少了CPU的空閑時間：的空閑時間：輸入輸出不占用主機時輸入輸出不占用主機時間。間。 n提高提高I/O速度速度輸入設備外圍機磁盤主機外圍機輸出設備脫機I/O示意圖2021-11-21計算機操作系統(tǒng)15單道批處理系統(tǒng)（單道批處理系統(tǒng)（ Simple Batch Processing System ）批處理過程2021-11-21計算機操作系統(tǒng)16單道批處理系統(tǒng)的處理流程2021-11-21計算機操作系統(tǒng)17 單道批處理系統(tǒng)的特征單道批處理系統(tǒng)的特征 單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種單道批處理系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的一種OS，嚴，嚴格地說，它只能算作是格地說，它只能算作是OS的前身而并非是

8、的前身而并非是現(xiàn)在人們所理解的現(xiàn)在人們所理解的OS。 盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系盡管如此，該系統(tǒng)比起人工操作方式的系統(tǒng)已有很大進步。統(tǒng)已有很大進步。 該系統(tǒng)的主要特征如下：該系統(tǒng)的主要特征如下： 自動性：作業(yè)依次運行，無須人為干預自動性：作業(yè)依次運行，無須人為干預 順序性：作業(yè)運行順序與進入內存的順序一致，順序性：作業(yè)運行順序與進入內存的順序一致，先調入的作業(yè)先完成。先調入的作業(yè)先完成。 單道性：內存中只有一道程序運行。單道性：內存中只有一道程序運行。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)18單道批處理的問題：單道批處理的問題： CPU和和I/O設備使用不均衡設備使用不均衡 -對計算為主

9、的作業(yè)，外設空閑對計算為主的作業(yè)，外設空閑 -對對I/O為主的作業(yè)，為主的作業(yè)，CPU空閑空閑 解決辦法解決辦法 使用多道程序同時進入內存運行，提高資源利使用多道程序同時進入內存運行，提高資源利用率，即采用多道程序系統(tǒng)。用率，即采用多道程序系統(tǒng)。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)19多道批處理系統(tǒng)（多道批處理系統(tǒng)（Multiprogrammed Batch Processing System) 多道程序設計的概念多道程序設計的概念 同時把多個作業(yè)放入內存并允許它們同時把多個作業(yè)放入內存并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各類資源，當交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各類資源，當一道程序因為某種原因暫停執(zhí)行時，

10、一道程序因為某種原因暫停執(zhí)行時，cpucpu立刻轉去執(zhí)行另一道程序。立刻轉去執(zhí)行另一道程序。 多道批處理系統(tǒng)：是使用多道程序設計多道批處理系統(tǒng)：是使用多道程序設計技術的批處理系統(tǒng)技術的批處理系統(tǒng)2021-11-21計算機操作系統(tǒng)20提高提高CPU的利用率的利用率可提高內存和可提高內存和I/O設備利用率設備利用率增加系統(tǒng)吞吐量增加系統(tǒng)吞吐量多道程序設計的好處：多道程序設計的好處：2021-11-21計算機操作系統(tǒng)21單多道批處理系統(tǒng)比較t1t2t3t4t5t6t7t8結束中斷I/O 完成啟動 I /OI/O 中斷請求I/O 完成啟動 I/OI/O 中斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道

11、程序運行情況程 序 A程序A I/O 請求程序A I/O 完成程 序 B程序B I/O 請求程 序 C程序C I/O 請求程 序 D程序D I/O 請求C I/O 完成C 再 被 調 度程序B I/O 完成程序A再被調度程 序 A程 序 B程 序 C程 序 D調 度 程 序(b) 四 道 程 序 運 行 情 況A完成結束中斷單道和多道程序運行情況單道和多道程序運行情況 程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D調度程序調度程序2021-11-21計算機操作系統(tǒng)22單多道批處理系統(tǒng)比較t1t2t3t4t5t6t7t8結束中斷I/O 完成啟動 I/OI/O 中斷請求I/O 完成啟動 I/OI/O 中

12、斷請求用戶程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運行情況程序A程序A I/O 請求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 請求程序C程序C I/O 請求程序D程序D I/O 請求C I/O 完成C 再被調度程序B I/O 完成程序A再被調度程序A程序B程序C程序D調度程序(b) 四道程序運行情況A完成結束中斷單道和多道程序運行情況單道和多道程序運行情況 程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D調度程序調度程序2021-11-21計算機操作系統(tǒng)23 程序運行時間表（單位：ms） 有三個程序A,B,C，它們使用同一個設備進行I/O操作，并按A,B,C的優(yōu)先次序執(zhí)行。這三個程序的計算和I/O操作

13、時間如表所示，假設調度的時間可忽略不計，請分別畫出單道程序環(huán)境和多道程序環(huán)境下（假設內存中可同時裝入這三道程序），它們的運行時間關系圖，并比較它們的總運行時間。程序操作 A B C 計算 30 60 20 I/O 40 30 40 計算 10 10 202021-11-21計算機操作系統(tǒng)24 資源利用率高資源利用率高 系統(tǒng)吞吐量大系統(tǒng)吞吐量大 平均周轉時間長平均周轉時間長 無交互能力無交互能力 批處理：交互性差批處理：交互性差-提高對提高對cpu的利用率的利用率多道程序設計的優(yōu)缺點多道程序設計的優(yōu)缺點：2021-11-21計算機操作系統(tǒng)25多道批處理的需要解決的問題多道批處理的需要解決的問題u

14、處理機的管理問題。多個程序之間如何分配以便共處理機的管理問題。多個程序之間如何分配以便共享處理機？如何回收？享處理機？如何回收？u內存管理問題。如何分配作業(yè)必需的內存空間，以內存管理問題。如何分配作業(yè)必需的內存空間，以便他們各得其所而又不會互相重疊？如何防止一個便他們各得其所而又不會互相重疊？如何防止一個程序破壞其他程序？程序破壞其他程序？uI/O設備管理問題。設備管理問題。I/O設備為所有程序共享，如何設備為所有程序共享，如何協(xié)調以提高設備使用效率？協(xié)調以提高設備使用效率？u文件管理問題。如何管理大量的程序和文件？文件管理問題。如何管理大量的程序和文件？u作業(yè)管理問題。各種不同類型的作業(yè)如何

15、有效管理？作業(yè)管理問題。各種不同類型的作業(yè)如何有效管理？增加一組軟件，對以上問題進行有效處理，增加一組軟件，對以上問題進行有效處理，這組軟件就構成了操作系統(tǒng)。這組軟件就構成了操作系統(tǒng)。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)26分時系統(tǒng)（分時系統(tǒng)（Time Sharing System）n 分時系統(tǒng)的產生：分時系統(tǒng)的產生：n如果說，如果說， 推動推動多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，形成和發(fā)展的主要動力，是提高是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動，那么，推動分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，則是形成和發(fā)展的主要動力，則是用戶的需求用戶的需求。n 用戶的需

16、求具體表現(xiàn)用戶的需求具體表現(xiàn) 在以下幾個方面：在以下幾個方面：n (1) 人人機交互機交互。n (2) 共享主機共享主機n (3) 便于用戶上機。便于用戶上機。每一個用戶通過配有輸入鍵盤和每一個用戶通過配有輸入鍵盤和輸出顯示器的終端工作站和主機連接輸出顯示器的終端工作站和主機連接 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)27分時系統(tǒng)（分時系統(tǒng)（Time Sharing System）n 分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題：分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題：n為實現(xiàn)分時系統(tǒng)，其中，最關鍵的問題是如何使用為實現(xiàn)分時系統(tǒng)，其中，最關鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進行交互，即當用戶在自己的終戶能與自己的作業(yè)進行交互，即當

17、用戶在自己的終端上鍵入命令時，端上鍵入命令時， 系統(tǒng)應能及時接收并及時處理該系統(tǒng)應能及時接收并及時處理該命令，再將結果返回給用戶。此后，命令，再將結果返回給用戶。此后， 用戶可繼續(xù)鍵用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即入下一條命令，此即人人機交互機交互。n應強調指出，即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤應強調指出，即使有多個用戶同時通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應能全部地及時接收并處理。鍵入命令，系統(tǒng)也應能全部地及時接收并處理。n及時接收及時接收n及時處理及時處理n 批處理系統(tǒng)無法滿足以上要求批處理系統(tǒng)無法滿足以上要求2021-11-21計算機操作系統(tǒng)28分時系統(tǒng)（分時系統(tǒng)（Time Sharing S

18、ystem）n 分時系統(tǒng)的特征：分時系統(tǒng)的特征：n多路性：一個機器同時連接多個終端。宏觀上多個多路性：一個機器同時連接多個終端。宏觀上多個用戶同時工作，微觀上則是每個用戶作業(yè)輪流運行用戶同時工作，微觀上則是每個用戶作業(yè)輪流運行一個一個時間片時間片。n獨立性：每個用戶使用各自的終端與主機交互，感獨立性：每個用戶使用各自的終端與主機交互，感覺不到其它用戶的存在，好像獨立使用計算機。用覺不到其它用戶的存在，好像獨立使用計算機。用戶之間互不干擾。戶之間互不干擾。n及時性：用戶的請求應當在很短時間內響應。及時性：用戶的請求應當在很短時間內響應。n交互性：用戶通過終端與系統(tǒng)進行對話。交互性：用戶通過終端與

19、系統(tǒng)進行對話。分時系統(tǒng)主要用于軟件開發(fā)和運行較小的程序。因為在這種環(huán)境下分時系統(tǒng)主要用于軟件開發(fā)和運行較小的程序。因為在這種環(huán)境下用戶大部分時間都在思考，不會長期連續(xù)地占用用戶大部分時間都在思考，不會長期連續(xù)地占用CPU，以利于其他，以利于其他用戶使用。用戶使用。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)29實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)( (Real-Time System) )n 所謂所謂“實時實時”，是表示，是表示“及時及時”，而，而實時系統(tǒng)是指系實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時統(tǒng)能及時(或即時或即時)響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一內完成對

20、該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調一致地運行。致地運行。n 按任務執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分按任務執(zhí)行時是否呈現(xiàn)周期性來劃分n 周期性實時任務。周期性實時任務。n 非周期性實時任務。非周期性實時任務。n 根據對截止時間的要求來劃分根據對截止時間的要求來劃分n 硬實時任務硬實時任務(hard real-time task)。系統(tǒng)必須滿足任務對截止時。系統(tǒng)必須滿足任務對截止時間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預測的結果。間的要求，否則可能出現(xiàn)難以預測的結果。n 軟實時任務軟實時任務(Soft real-time task)。它也聯(lián)系著一個截止時間，。它也聯(lián)系著一個截止時間， 但并不嚴格，若偶爾錯過了任務

21、的截止時間，但并不嚴格，若偶爾錯過了任務的截止時間， 對系統(tǒng)產生的對系統(tǒng)產生的影響也不會太大。影響也不會太大。 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)30實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較n多路性多路性:類似類似n獨立性獨立性:類似類似n及時性及時性:區(qū)別顯著區(qū)別顯著n交互性交互性:有區(qū)別有區(qū)別n可靠性可靠性:區(qū)別顯著區(qū)別顯著2021-11-21計算機操作系統(tǒng)31微機操作系統(tǒng)的發(fā)展n單用戶單任務操作系統(tǒng)單用戶單任務操作系統(tǒng)nMS-DOSn單用戶多任務操作系統(tǒng)單用戶多任務操作系統(tǒng)nWindows 1.0XPn多用戶多任務操作系統(tǒng)多用戶多任務操作系統(tǒng)nLinuxnUnixnSol

22、aris2021-11-21計算機操作系統(tǒng)32本章內容提綱操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能2021-11-21計算機操作系統(tǒng)33本章內容提綱操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的結構設計2021-11-21計算機操作系統(tǒng)34操作系統(tǒng)的特征n 并發(fā)性并發(fā)性(Concurrence) n 共享性共享性(Sharing)： n 虛擬性虛擬性(Virtual)：n 異步性異步性(Asynchronism)：2021-11-21計算機操作系統(tǒng)35操作

23、系統(tǒng)的特征并發(fā)性(Concurrence) n 并發(fā)性并發(fā)性:指兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生指兩個或多個事件在同一時間間隔內發(fā)生n 理解：理解： -在多道程序環(huán)境且單處理機系統(tǒng)下，宏觀上并在多道程序環(huán)境且單處理機系統(tǒng)下，宏觀上并行，微觀上交替執(zhí)行。行，微觀上交替執(zhí)行。 -多處理機系統(tǒng)中，并發(fā)可并行執(zhí)行多處理機系統(tǒng)中，并發(fā)可并行執(zhí)行n 并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個概念。并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個概念。并行性是指兩個或多個事件在并行性是指兩個或多個事件在同一時刻同一時刻發(fā)生發(fā)生并行一定并發(fā)，并發(fā)不一定并行并行一定并發(fā)，并發(fā)不一定并行2021-11-21計算機操作系統(tǒng)36并發(fā)

24、性并發(fā)性-串行、并行、并發(fā)比較串行、并行、并發(fā)比較 假設有三個程序假設有三個程序A,B,C串行并行并發(fā)2021-11-21計算機操作系統(tǒng)37并發(fā)性并發(fā)性-進程，線程進程，線程 進程是系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分進程是系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單元，是一個能獨立運行的活配的基本單元，是一個能獨立運行的活動實體。動實體。 操作系統(tǒng)需要增設若干進程管理功能。操作系統(tǒng)需要增設若干進程管理功能。 線程是比進程更小的單位，一個進程包線程是比進程更小的單位，一個進程包含多個線程。是獨立運行獨立調度的基含多個線程。是獨立運行獨立調度的基本單位本單位2021-11-21計算機操作系統(tǒng)38操作系統(tǒng)的特征

25、共享性(Sharing)n 共享性共享性(Sharing)：系統(tǒng)中的資源可供內存中多個：系統(tǒng)中的資源可供內存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程并發(fā)執(zhí)行的進程(線程線程)共同使用。共同使用。n 由于資源屬性的不同，進程對資源共享的方式主由于資源屬性的不同，進程對資源共享的方式主要有以下兩種資源共享方式。要有以下兩種資源共享方式。n 互斥共享互斥共享n 同時訪問同時訪問2021-11-21計算機操作系統(tǒng)39共享性共享性-互斥共享方式互斥共享方式n為什么要采用互斥共享？為什么要采用互斥共享？n系統(tǒng)中的某些資源，如打印機、磁帶機，雖然可以提供給多個進程系統(tǒng)中的某些資源，如打印機、磁帶機，雖然可以提供給多個進程(線程

26、線程)使用，但規(guī)定在一段時間內只允許一個進程使用，但規(guī)定在一段時間內只允許一個進程(線程線程)訪問該資源。訪問該資源。避免結果不致造成混淆。避免結果不致造成混淆。n如何保證互斥共享？如何保證互斥共享？n臨界資源臨界資源-在一段時間內只允許一個進程訪問的資源（也叫獨占資在一段時間內只允許一個進程訪問的資源（也叫獨占資源）源）n如何使用臨界資源？如何使用臨界資源？n當一個進程當一個進程A要訪問某資源時，必須先提出請求，要訪問某資源時，必須先提出請求， 只有資源空閑時只有資源空閑時才可分配給請求進程才可分配給請求進程A使用，使用， 此后若再有其它進程也要訪問該資源此后若再有其它進程也要訪問該資源時時

27、(只要只要A未用完未用完)則必須等待。僅當則必須等待。僅當A進程釋放該資源后，進程釋放該資源后， 另一進程另一進程才可訪問該資源。才可訪問該資源。n臨界資源有哪些？臨界資源有哪些？n舉例：計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設備，以及某些軟件中所用的棧、舉例：計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設備，以及某些軟件中所用的棧、變量和表格變量和表格2021-11-21計算機操作系統(tǒng)40共享性共享性-同時訪問方式同時訪問方式n 何謂同時？何謂同時？n 同時并非同步，并行。這里所謂的同時并非同步，并行。這里所謂的“同時同時”往往往往是宏觀上是宏觀上的；的；n 微觀上，進程可能是交替地對該資源進行訪問。微觀上，進程可能是交替地

28、對該資源進行訪問。n 可可“同時同時”訪問的資源有哪些？訪問的資源有哪些？n 典型資源是磁盤設備典型資源是磁盤設備n 與互斥共享方式的區(qū)別？與互斥共享方式的區(qū)別？n 可以在一段時間內同時使用，不必等待別的進程可以在一段時間內同時使用，不必等待別的進程全部使用完畢。全部使用完畢。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)41并發(fā)性與共享性關系并發(fā)性與共享性關系n 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征，它并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特征，它們又是互為存在的條件。們又是互為存在的條件。n 如何互為存在條件？如何互為存在條件？n 共享性以并發(fā)性為條件共享性以并發(fā)性為條件n資源共享是以程序資源共享是以程

29、序(進程進程)的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；n 并發(fā)性受共享性影響并發(fā)性受共享性影響n若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理，若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理， 協(xié)調好諸進程對共享資源的協(xié)調好諸進程對共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)42操作系統(tǒng)的特征虛擬(Virtual)技術n 操作系統(tǒng)中的虛擬含義是什么？操作系統(tǒng)中的虛擬含義是什么？n 通過某種技術把一個物理實

30、體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上通過某種技術把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。的對應物。n 物理實體物理實體(前者前者)是實的，是實的， 即實際存在的；而后者即實際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。是虛的，是用戶感覺上的東西。n 虛擬技術實現(xiàn)哪些虛擬？虛擬技術實現(xiàn)哪些虛擬？n 虛擬處理機、虛擬內存、虛擬處理機、虛擬內存、 虛擬外部設備和虛擬虛擬外部設備和虛擬信道等。信道等。n Os中的虛擬技術有幾種方式實現(xiàn)？中的虛擬技術有幾種方式實現(xiàn)？n 時分復用方式時分復用方式 -利用處理機的空閑時間利用處理機的空閑時間n 空分復用方式空分復用方式 -利用存儲器的空閑空間利用存儲器的空閑空間2021-11-

31、21計算機操作系統(tǒng)43虛擬技術虛擬技術-時分復用技術時分復用技術n 時分復用有哪些技術？時分復用有哪些技術？n 虛擬處理機技術虛擬處理機技術n 通過多道程序設計技術，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行通過多道程序設計技術，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來的方法，來分時分時使用一臺處理機的。使每個終使用一臺處理機的。使每個終端用戶都認為是有一個端用戶都認為是有一個CPU在專門為他服務。在專門為他服務。n 一臺物理上的一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的虛擬為多臺邏輯上的CPUn 虛擬設備技術虛擬設備技術n 使原來僅允許在一段時間內由一個用戶訪問的使原來僅允許在一段時間內由一個用戶訪問的設備設備(即臨界資源即臨界資源

32、)，變?yōu)樵谝欢螘r間內允許多個，變?yōu)樵谝欢螘r間內允許多個用戶同時訪問的共享設備。如打印機用戶同時訪問的共享設備。如打印機2021-11-21計算機操作系統(tǒng)44虛擬技術虛擬技術-空分復用技術空分復用技術n 空分復用技術中的主要應用？空分復用技術中的主要應用？n 虛擬存儲器技術虛擬存儲器技術n 將一臺機器的物理存儲器變?yōu)樘摂M存儲器，將一臺機器的物理存儲器變?yōu)樘摂M存儲器，以便從邏輯上來擴充存儲器的容量。以便從邏輯上來擴充存儲器的容量。n 虛擬存儲技術的本質是什么？虛擬存儲技術的本質是什么？n 本質是使內存分時復用，單純的空分復用存本質是使內存分時復用，單純的空分復用存儲器只能提高內存利用率儲器只能提高

33、內存利用率2021-11-21計算機操作系統(tǒng)45虛擬技術虛擬技術-速度速度n 如果虛擬的實現(xiàn)是通過時分復用的方法，即如果虛擬的實現(xiàn)是通過時分復用的方法，即對某一物理設備進行分時使用時，如果對某一物理設備進行分時使用時，如果n是是某物理設備所對應的虛擬的邏輯設備數(shù)，則某物理設備所對應的虛擬的邏輯設備數(shù)，則虛擬設備的平均速度必然等于或低于物理設虛擬設備的平均速度必然等于或低于物理設備速度的備速度的1/n。n 同理，空分復用中，一臺虛擬設備平均占用同理，空分復用中，一臺虛擬設備平均占用的空間必然等于或者低于物理設備所擁有空的空間必然等于或者低于物理設備所擁有空間的間的1/n。2021-11-21計算

34、機操作系統(tǒng)46操作系統(tǒng)的特征異步性（Asynchronism）n何謂異步性？何謂異步性？n進程以人們不可預知的速度向前推進進程以人們不可預知的速度向前推進n在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行， 但只有進但只有進程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。n在單處理機環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個處理機，因而在單處理機環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個處理機，因而每次只允許一個進程執(zhí)行，其余進程只能等待。每次只允許一個進程執(zhí)行，其余進程只能等待。n當正在執(zhí)行的進程提出某種資源要求時，如打印請求，當正在執(zhí)行的進程提出某種資源要求時，如打印請求，而此時

35、打印機正在為其它某進程打印，由于打印機屬于而此時打印機正在為其它某進程打印，由于打印機屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進程必須等待，且放棄處理臨界資源，因此正在執(zhí)行的進程必須等待，且放棄處理機，直到打印機空閑，并再次把處理機分配給該進程時，機，直到打印機空閑，并再次把處理機分配給該進程時，該進程方能繼續(xù)執(zhí)行。由于資源等因素的限制，使進程該進程方能繼續(xù)執(zhí)行。由于資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行通常以的執(zhí)行通常以“停停走走停停走走”的方式運行，進程以不可預的方式運行，進程以不可預知的進度推進。知的進度推進。難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個時刻的狀態(tài)2021-11-21計算機操作系統(tǒng)47本章

36、內容提綱操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能2021-11-21計算機操作系統(tǒng)48本章內容提綱操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的結構設計2021-11-21計算機操作系統(tǒng)49操作系統(tǒng)的主要功能n處理機管理功能處理機管理功能n進程控制、進程同步、進程通信、調度進程控制、進程同步、進程通信、調度n存儲器管理功能存儲器管理功能n內存管理、保護、地址映射、擴充內存管理、保護、地址映射、擴充n設備管理功能設備管理功能n緩沖管理、設備分配、設備處理緩沖

37、管理、設備分配、設備處理n文件管理功能文件管理功能n文件存儲空間管理、目錄管理、文件保護文件存儲空間管理、目錄管理、文件保護n操作系統(tǒng)和用戶之間的接口操作系統(tǒng)和用戶之間的接口2021-11-21計算機操作系統(tǒng)50處理機管理功能-進程控制進程控制的主要作用是什么？進程控制的主要作用是什么？n為作業(yè)創(chuàng)建進程，分配必要的資源。為作業(yè)創(chuàng)建進程，分配必要的資源。n撤銷已結束進程，及時回收該進程所占用的各撤銷已結束進程，及時回收該進程所占用的各類資源。類資源。n控制進程在運行過程中的狀態(tài)轉換?？刂七M程在運行過程中的狀態(tài)轉換。n為一個進程創(chuàng)建若干個線程的功能和撤消為一個進程創(chuàng)建若干個線程的功能和撤消(終止終

38、止)已完成任務的線程的功能（在現(xiàn)代已完成任務的線程的功能（在現(xiàn)代OS中）中） 。 作業(yè)處理機進程作業(yè)進程2021-11-21計算機操作系統(tǒng)51處理機管理功能-進程同步n 進程同步的作用是什么進程同步的作用是什么?n 異步性，特點？異步性，特點？n 為多個進程（含線程）的運行進行協(xié)調為多個進程（含線程）的運行進行協(xié)調n 進程同步的協(xié)調方式有哪些？進程同步的協(xié)調方式有哪些？n 進程互斥方式進程互斥方式-臨界資源互斥訪問臨界資源互斥訪問n進程互斥的機制如何實現(xiàn)？進程互斥的機制如何實現(xiàn)？n為每一個臨界資源配置一把鎖為每一個臨界資源配置一把鎖W，當鎖打開時，進程，當鎖打開時，進程(線程線程)可以可以對該

39、臨界資源進行訪問；而當鎖關上時，則禁止進程對該臨界資源進行訪問；而當鎖關上時，則禁止進程(線程線程)訪問訪問該臨界資源。該臨界資源。 信號量機制信號量機制n 進程同步方式進程同步方式-在相互合作完成共同任務的諸進程在相互合作完成共同任務的諸進程(線程線程)間，由同步機構對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調。間，由同步機構對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)52處理機管理功能-進程通信n進程通信的任務就是用來實現(xiàn)在相互合作的進進程通信的任務就是用來實現(xiàn)在相互合作的進程之間的信息交換。程之間的信息交換。輸入進程計算進程打印進程2021-11-21計算機操作系統(tǒng)53處理機管理功能-調度為

40、什么要調度？為什么要調度？ 因為在后備隊列上等待的每個作業(yè)，要經因為在后備隊列上等待的每個作業(yè)，要經過調度才能執(zhí)行。過調度才能執(zhí)行。調度的分類包括作業(yè)調度和進程調度調度的分類包括作業(yè)調度和進程調度兩步兩步。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)54存儲器管理功能-內存分配n內存分配的主要任務是為每道程序分配內存空間。有內存分配的主要任務是為每道程序分配內存空間。有兩種分配方式：靜態(tài)和動態(tài)兩種分配方式：靜態(tài)和動態(tài)n靜態(tài)分配特點：靜態(tài)分配特點：n每個作業(yè)的內存空間是在作業(yè)裝入時確定的；每個作業(yè)的內存空間是在作業(yè)裝入時確定的；n在作業(yè)裝入后的整個運行期間，在作業(yè)裝入后的整個運行期間， 不允許該作業(yè)再申請

41、不允許該作業(yè)再申請新的內存空間，新的內存空間，n不允許作業(yè)在內存中不允許作業(yè)在內存中“移動移動”；n動態(tài)分配特點：動態(tài)分配特點：n每個作業(yè)所要求的基本內存空間是在裝入時確定的；每個作業(yè)所要求的基本內存空間是在裝入時確定的；n允許作業(yè)在運行過程中，繼續(xù)申請新的附加內存空間，允許作業(yè)在運行過程中，繼續(xù)申請新的附加內存空間，以適應程序和數(shù)據的動態(tài)增漲；以適應程序和數(shù)據的動態(tài)增漲；n允許作業(yè)在內存中允許作業(yè)在內存中“移動移動”。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)55存儲器管理功能-內存保護內存保護的主要任務？內存保護的主要任務？n確保每道用戶程序都只在自己的內存空間內運確保每道用戶程序都只在自己的內存

42、空間內運行，彼此互不干擾。行，彼此互不干擾。 一種比較簡單的內存保護機制，是設置一種比較簡單的內存保護機制，是設置兩個界限寄存器兩個界限寄存器 越界檢查都由硬件實現(xiàn)越界檢查都由硬件實現(xiàn)n不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據n不允許用戶轉移到非共享的其他用戶程序中去不允許用戶轉移到非共享的其他用戶程序中去執(zhí)行。執(zhí)行。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)56存儲器管理功能-內存保護2021-11-21計算機操作系統(tǒng)57存儲器管理功能-地址映射n邏輯地址邏輯地址(地址空間中地址空間中)物理地址物理地址(內存空間中內存空間中)n如何映射？什么是邏輯地址？什么是物理

43、地址？如何映射？什么是邏輯地址？什么是物理地址？ n應用程序應用程序(源程序源程序)地址都是從地址都是從“0”開始的，程序開始的，程序中的其它地址都是相對于起始地址計算的；由中的其它地址都是相對于起始地址計算的；由這些地址所形成的地址范圍稱為這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間地址空間”，其中的地址稱為其中的地址稱為“邏輯地址邏輯地址”或或“相對地址相對地址”。n由內存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為由內存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內存空間內存空間”， 其中的地址稱為其中的地址稱為“物理地址物理地址”。 在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0

44、”地址開始裝入地址開始裝入(內存內存)2021-11-21計算機操作系統(tǒng)58存儲器管理功能-地址映射#include int main(int argc, char *argv ) char s10;char *p= s;int main(int argc, char *argv ) int a = 1;2021-11-21計算機操作系統(tǒng)59存儲器管理功能-內存擴充n如何進行擴充？如何進行擴充？n借助于虛擬存儲技術，從邏輯上去擴充內存容借助于虛擬存儲技術，從邏輯上去擴充內存容量。量。(1) 請求調入請求調入 (2) 置換置換n內存容量有變化嗎？內存容量有變化嗎？n內存容量實際沒變，但卻可以承擔

45、大于這一容內存容量實際沒變，但卻可以承擔大于這一容量的更多事情。優(yōu)點：既滿足了用戶的需要，量的更多事情。優(yōu)點：既滿足了用戶的需要，改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)60設備管理功能-緩沖管理n 為什么要引入緩沖管理？為什么要引入緩沖管理？n 如果在如果在I/O設備和設備和CPU之間引入緩沖，則可有之間引入緩沖，則可有效地緩和效地緩和CPU和和I/O設備速度不匹配的矛盾，設備速度不匹配的矛盾，提高提高CPU的利用率，進而提高系統(tǒng)吞吐量。的利用率，進而提高系統(tǒng)吞吐量。n 常見的緩沖機制？常見的緩沖機制？n 單緩沖

46、機制單緩沖機制n 實現(xiàn)雙向同時傳送數(shù)據的雙緩沖機制實現(xiàn)雙向同時傳送數(shù)據的雙緩沖機制n 能供多個設備同時使用的公用緩沖池機制。能供多個設備同時使用的公用緩沖池機制。 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)61設備管理功能-設備分配n設備分配原則？設備分配原則？n用戶進程的用戶進程的I/O請求請求n系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況n設備分配策略。設備分配策略。n如果在如果在I/O設備和設備和CPU之間，存在著設備之間，存在著設備控制器和控制器和I/O通道時，須為分配出去的設通道時，須為分配出去的設備分配相應的備分配相應的控制器和通道控制器和通道。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)62設備管理功能-

47、設備處理n設備處理的基本任務？設備處理的基本任務？n設備處理程序又稱為設備驅動程序。設備處理程序又稱為設備驅動程序。基基本任務是用于實現(xiàn)本任務是用于實現(xiàn)CPU和設備控制器之和設備控制器之間的通信間的通信。n由由CPU向設備控制器發(fā)出向設備控制器發(fā)出I/O命令，要命令，要求它完成指定的求它完成指定的I/O操作；反之由操作；反之由CPU接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予迅速的響應和相應的處理。迅速的響應和相應的處理。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)63文件管理功能-文件空間管理n文件空間管理的主要任務？文件空間管理的主要任務？n為每個文件分配必要的外存空間，提高

48、外為每個文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的運行速度。運行速度。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)64文件管理功能-目錄管理n目錄管理的主要任務？目錄管理的主要任務？n(1)為每個文件建立其目錄項，并對目錄為每個文件建立其目錄項，并對目錄項加以組織，實現(xiàn)按名存取。項加以組織，實現(xiàn)按名存取。 n(2)實現(xiàn)文件共享。實現(xiàn)文件共享。 只須在外存上保留一份該共享文件的只須在外存上保留一份該共享文件的副本。副本。n(3)提供快速的目錄查詢手段。提供快速的目錄查詢手段。 提高對文件的檢索速度。提高對文件的檢索速度。 2021-11-21計算

49、機操作系統(tǒng)65文件管理功能-文件的讀寫管理與保護n文件的讀文件的讀/寫寫: (1) 文件的讀文件的讀/寫管理。寫管理。 根據根據用戶的請求，從外存中讀取數(shù)據；或將數(shù)用戶的請求，從外存中讀取數(shù)據；或將數(shù)據寫入外存。據寫入外存。n文件保護文件保護: 防止未經核準的用戶存取文防止未經核準的用戶存取文件；件； 防止冒名頂替存取文件；防止冒名頂替存取文件； 防止防止以不正確的方式使用文件。以不正確的方式使用文件。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)66操作系統(tǒng)與用戶之間的接口n用戶接口用戶接口:命令接口命令接口，程序接口，圖形接口程序接口，圖形接口n 程序接口：系統(tǒng)調用程序接口：系統(tǒng)調用n在高級語言以及在

50、高級語言以及C語言中，往往提供了與各語言中，往往提供了與各系統(tǒng)調用一一對應的庫函數(shù)，這樣，應用程系統(tǒng)調用一一對應的庫函數(shù)，這樣，應用程序便可通過調用對應的庫函數(shù)來使用系統(tǒng)調序便可通過調用對應的庫函數(shù)來使用系統(tǒng)調用。用。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)67系統(tǒng)調用的執(zhí)行過程 一般把處理機在用戶程序中執(zhí)行稱為用戶用戶態(tài)態(tài)(user mode)，而把處理機在系統(tǒng)程序中執(zhí)行稱為系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)態(tài)(kernel mode)。 2021-11-21計算機操作系統(tǒng)68本章內容提綱操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的發(fā)展史操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的結構設計2021

51、-11-21計算機操作系統(tǒng)69無結構操作系統(tǒng)n 在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設計者只是把他的注在早期開發(fā)操作系統(tǒng)時，設計者只是把他的注意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏意力放在功能的實現(xiàn)和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設計思想。首尾一致的設計思想。 此時的此時的OS是為數(shù)眾多的是為數(shù)眾多的一組過程的集合，一組過程的集合，各過程之間可以相互調用，各過程之間可以相互調用，在操作系統(tǒng)內部不存在任何結構在操作系統(tǒng)內部不存在任何結構，因此，這種，因此，這種OS是無結構的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結構。是無結構的，也有人把它稱為整體系統(tǒng)結構。n此時程序設計的技巧，只是如何編制緊湊的程序，此時程序設計的技巧，

52、只是如何編制緊湊的程序，以便于有效地利用內存、對以便于有效地利用內存、對GOTO語句的使用不加語句的使用不加任何限制，所設計出的操作系統(tǒng)既任何限制，所設計出的操作系統(tǒng)既龐大又雜亂龐大又雜亂，缺，缺乏清晰的程序結構。乏清晰的程序結構。n一方面會使所編制出的一方面會使所編制出的程序錯誤很多程序錯誤很多，給調試工作，給調試工作帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，帶來很多困難；另一方面也使程序難以閱讀和理解，增加了維護人員的負擔增加了維護人員的負擔。2021-11-21計算機操作系統(tǒng)70模塊化OS結構n 為使為使OS具有較清晰的結構，具有較清晰的結構，OS不再是由眾多的過程直不再是由眾多的過程直接構成，而是將接構成，而是將OS按其功能劃分為若干個按其功能劃分為若干個具有一定獨具有一定獨立性和大小立性和大小的模塊。的模塊。n 每個模塊具有某方面的管理功能，如進程管理模塊、存每個模塊具有某方面的管理功能，如進程管理模塊、存儲器管理模塊、儲器管理模塊、I/O設備管理模塊和文件管理模塊等，設備管理模塊和文件管理模塊等，規(guī)定好各模塊間的接