華夏大地精講課程網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

1、第一章 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)引論 1 什么是操作系統(tǒng) 1.1 操作系統(tǒng)的定義，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次。 定義：操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源、合理組織計(jì)算機(jī)工作流程以及方便用戶的程序集合。 注：操作系統(tǒng)屬于系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 1.2 操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以看成是由硬件和軟件按層次結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)，如圖 1-1 所示。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，操作系統(tǒng)是硬件層的第一次擴(kuò)充，在這一層上實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的全部功能，并提供了相應(yīng)的接口。 1.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的主要特征，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次。 1 、并

2、發(fā)性 指的是在操作系統(tǒng)中存在著許多同時(shí)的或并行的活動(dòng)。 2 、共享性 系統(tǒng)中存在著各種并發(fā)活動(dòng)，要求共享系統(tǒng)的硬、軟件資源。理由是： （ 1 ）向各個(gè)用戶分別提供足夠的資源是浪費(fèi)的，有時(shí)也是不可能的； （ 2 ）多個(gè)用戶共享同一程序要比向各個(gè)用戶提供程序副本節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高工作效率 （ 3 ）幾個(gè)用戶或程序員在開發(fā)軟件過程中，為避免重復(fù)，應(yīng)允許使用他人擁有的軟件資源 3 、虛擬性 是指將一個(gè)物理的實(shí)體映射為若干邏輯實(shí)體，物理實(shí)體是客觀存在的，而邏輯實(shí)體是虛構(gòu)的。例如，在多道程序系統(tǒng)中，雖然只有一個(gè) CPU ，每次只能執(zhí)行一道程序，但采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，在一段時(shí)間間隔內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在

3、運(yùn)行。在用戶看來，就好像有多個(gè) CPU 在各自運(yùn)行自己的程序。這種情況就是將一個(gè)物理的 CPU 虛擬為多個(gè)邏輯上的 CPU ，邏輯上的 CPU 成為虛擬處理機(jī)。 4 、不確定性 表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面 （ 1 ）程序執(zhí)行結(jié)果不確定，程序執(zhí)行結(jié)果不能再現(xiàn)。 （ 2 ）多道程序環(huán)境下，程序按異步方式運(yùn)行。 2 多道程序設(shè)計(jì)與虛擬處理機(jī) 2.1 多道程序設(shè)計(jì)的硬件支持，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 1 ）中斷 中斷的概念：中斷指的是： 對(duì)異步或?qū)馐录囊环N響應(yīng)； 這一響應(yīng)自動(dòng)保存 CPU 狀態(tài)以便將來重新啟動(dòng)； 自動(dòng)轉(zhuǎn)入規(guī)定的中斷處理程序。 中斷的類型： （ 1 ） I/O 中斷 （ 2 ）程序中斷 （

4、3 ）硬件故障中斷，或稱機(jī)器檢驗(yàn)中斷 （ 4 ）外中端 （ 5 ）訪管中斷 中斷的處理過程： 發(fā)生中斷 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)（保存程序狀態(tài)字 PSW ，程序計(jì)數(shù)器 PC 入棧） 裝入中斷處理程序的 PSW 執(zhí)行中斷處理程序 中斷返回（恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) ,PSW PC 出棧） 2 ）通道技術(shù) 通道的定義：通道又稱 I/O 處理機(jī)，它能完成主存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的信息傳輸，并與中央處理器機(jī)并行操作。采用通道技術(shù)解決了 I/O 操作的獨(dú)立性和各部件工作的并行性。 通道的種類： (1) 字節(jié)通道（慢速外設(shè)） (2) 選擇通道（快速外設(shè)） (3) 數(shù)組多路通道（多個(gè)設(shè)備交叉使用，提高通道利用率） 單通道 I/O 系統(tǒng) 多通道配

5、置方案CPU 是主設(shè)備，通道是從設(shè)備。 2.2 多道程序設(shè)計(jì)的基本原理，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 1 ）多道程序的硬件支持 通道技術(shù)和中斷系統(tǒng)。 2 ）多道程序的基本原理 多道程序設(shè)計(jì)的主要目的是充分利用系統(tǒng)中所有資源且盡可能地讓它們并行操作。采用通道技術(shù)后使 CPU 從繁鎖的 I/O 操作中解放出來，它不僅能實(shí)現(xiàn) CPU 和通道并行工作，而且也能實(shí)現(xiàn)通道與通道之間、各通道上的外設(shè)之問的并行。 多道程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，必須妥善解決的三個(gè)問題：   存儲(chǔ)保護(hù)和地址的重定位   處理機(jī)管理和調(diào)度   資源的分配與管理 多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)： 1) 多道 2) 宏觀上并行 3)

6、 微觀上串行 2.3 虛擬處理機(jī)和虛擬計(jì)算機(jī)，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 虛擬處理機(jī)：真實(shí)的物理處理機(jī)只有一臺(tái)，通過多道程序在系統(tǒng)中的并行執(zhí)行，邏輯上好像多個(gè)處理機(jī)在工作，則每個(gè)邏輯上的處理機(jī)稱為虛擬處理機(jī)。 虛擬計(jì)算機(jī)：通過操作系統(tǒng)的功能，把主存擴(kuò)充改造成虛擬存儲(chǔ)器，把外存儲(chǔ)器改造成按名存取的文件系統(tǒng)，把 I/O 設(shè)備改造成數(shù)量較多、方便實(shí)用的虛擬設(shè)備，把系統(tǒng)控制臺(tái)改造成每個(gè)用戶都可使用的邏輯控臺(tái)，配置了操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)是一臺(tái)比原來物理計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，我們把這種概念上的、邏輯上的計(jì)算機(jī)稱為虛擬計(jì)算機(jī)。 2.4 多道程序運(yùn)行時(shí)間圖，要求達(dá)到 簡(jiǎn)單應(yīng)用層次 。 多道程序設(shè)計(jì)的執(zhí)行過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

7、圖：（畫圖、讀圖） 依據(jù)：?jiǎn)翁幚頇C(jī)系統(tǒng)多道程序在微觀上的串行性（不能重疊） 多個(gè)通道之間、多道程序和通道之間在微觀上可以并行（可以重疊） 多道程序設(shè)計(jì)的例子 1： 調(diào)度程序執(zhí)行時(shí)間忽略不計(jì)的情況下：3 系統(tǒng)調(diào)用 3.1 算態(tài)與管態(tài)、特權(quán)指令與訪管指令、系統(tǒng)調(diào)用的概念，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 算態(tài)：用戶程序運(yùn)行的狀態(tài)，又叫目態(tài)。 管態(tài)：系統(tǒng)程序運(yùn)行的狀態(tài)，又叫特權(quán)狀態(tài)。 特權(quán)指令：只能在管態(tài)下執(zhí)行而不能在算態(tài)下執(zhí)行的特殊機(jī)器指令。 訪管指令：能從算態(tài)進(jìn)入管態(tài)，基本功能是“自愿進(jìn)管”引起訪管中斷。 系統(tǒng)調(diào)用：用戶在程序中能用訪管指令調(diào)用的，由操作系統(tǒng)提供的子功能集合，其中每一個(gè)子功能稱為系統(tǒng)調(diào)用命

8、令。 3.2 系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程，要求達(dá)到領(lǐng)會(huì)層次。 UNIX 系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程流程圖：（畫圖） 第一章 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)引論 3.2 系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程，要求達(dá)到領(lǐng)會(huì)層次。 UNIX 系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程流程圖：（畫圖） UNIX 提供 64 種系統(tǒng)調(diào)用（ 063 ） 0 號(hào)調(diào)用為間接系統(tǒng)調(diào)用（ trap00 指令后為指向數(shù)據(jù)區(qū)的指針），其余為直接系統(tǒng)調(diào)用（調(diào)用參數(shù)可在寄存器中也可在 trapxx 指令后） 3.3UNIX 系統(tǒng)調(diào)用的種類，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。   進(jìn)程控制的系統(tǒng)調(diào)用 （ fork() ：創(chuàng)建進(jìn)程 ,wait() ：進(jìn)程阻塞 ,exit() 進(jìn)程自我終止 ,getid

9、() 獲得進(jìn)程標(biāo)識(shí)符 ,getppid() 獲取父進(jìn)程標(biāo)識(shí) ,getpriority() 獲取進(jìn)程優(yōu)先級(jí)）   進(jìn)程通信的系統(tǒng)調(diào)用 （ socket 套接字的建立、鏈接、控制、刪除）   存儲(chǔ)管理的系統(tǒng)調(diào)用   設(shè)備管理的系統(tǒng)調(diào)用 （ open 打開設(shè)備 , close 關(guān)閉設(shè)備 ,read 從指定設(shè)備讀 ,write 從指定設(shè)備寫）   文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用（ open close read write creat unlink 刪除 execl 執(zhí)行 fnctl 控制 flock 加鎖解鎖 stat 獲取文件狀態(tài) mount 文件系統(tǒng)的安裝） 

10、0; 系統(tǒng)管理的系統(tǒng)調(diào)用 4 單機(jī)操作系統(tǒng) 4 1 單用戶操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 單用戶操作系統(tǒng)的基本特征是在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一次只支持一個(gè)用戶程序的運(yùn)行，系統(tǒng)的全部資源都提供給該用戶使用，用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有絕對(duì)的控制權(quán)。例如 MS-DOS 。 4 2 批處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，批處理系統(tǒng)中一個(gè)作業(yè)從提交到完成所經(jīng)歷的四個(gè)階段，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 批處理系統(tǒng)的基本特征是“批量”，它把提高系統(tǒng)的處理能力，即作業(yè)的吞吐量作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也兼顧作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間。 四個(gè)階段： 作業(yè)的提交、作業(yè)的收容或作業(yè)的后備、作業(yè)的執(zhí)行、作業(yè)的完成。 4 3 分時(shí)、分時(shí)系統(tǒng)的概念，分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)

11、方法，分時(shí)系統(tǒng)中與響應(yīng)時(shí)間有關(guān)的因素，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 分時(shí)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件按時(shí)間劃分輪流地使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的某一資源。 分時(shí)系統(tǒng)：在一個(gè)系統(tǒng)中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的用戶分時(shí)的使用同一個(gè)計(jì)算機(jī)，這樣的系統(tǒng)成為分時(shí)系統(tǒng)。 分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)： 同時(shí)性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性 分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法： 調(diào)進(jìn) / 調(diào)出：從后援存儲(chǔ)器中選擇一個(gè)作業(yè)裝入主存，稱為調(diào)進(jìn)；從主存移到后援存儲(chǔ)器上稱為調(diào)出。 分時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間與用戶數(shù) n 以及時(shí)間片 q 的大小有關(guān)。 T=nq 如果給定合理的響應(yīng)時(shí)間 T ，若增加用戶，則應(yīng)減少時(shí)間片，但時(shí)間片的減少是受限的，從而也就限制了同時(shí)性用戶數(shù)。 44 實(shí)時(shí)

12、系統(tǒng)的分類，實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些問題，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 分類： 1 ）實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) （飛行器，導(dǎo)彈發(fā)射等） 2 ）實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)（預(yù)定飛機(jī)票、航班查詢） 實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些問題： 1 ）實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理 2 ）連續(xù)人機(jī)對(duì)話 3 ）過載的防護(hù) 4 ）高可靠性的保證 5 多機(jī)操作系統(tǒng) 5 1 分布式系統(tǒng)的概念，分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)，分布式操作系統(tǒng)中的同步與資源管理的策略，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 概念：分布式系統(tǒng)是一個(gè)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)，在用戶看來，它所擁有的是一臺(tái)單獨(dú)的計(jì)算機(jī)，而這臺(tái)計(jì)算機(jī)是一臺(tái)功能擴(kuò)大了的虛擬機(jī)。 特點(diǎn)： 1 ）任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間可以利用通信交換信息。 2 ）各計(jì)算

13、機(jī)具有相對(duì)的自主性或自治性。 3 ）分布式系統(tǒng)具有透明性。各計(jì)算機(jī)上的資源可以共享，而且用戶不必考慮資源所在的位置。 4) 分布式系統(tǒng)具有整體性或協(xié)同性。各臺(tái)計(jì)算機(jī)可以共同完成一個(gè)任務(wù)，各計(jì)算機(jī)只完成整個(gè)任務(wù)的一部分。 5) 分布式系統(tǒng)具有堅(jiān)定性。任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障不會(huì)使系統(tǒng)癱瘓，可以“降級(jí)”使用。 分布式操作系統(tǒng)與集中式（單機(jī)）操作系統(tǒng)相比又有以下特點(diǎn)：   系統(tǒng)狀態(tài)不精確   控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜   通信開銷引起性能下降 分布式系統(tǒng)中的同步：在分布式系統(tǒng)中，沒有共享存儲(chǔ)器和公用時(shí)鐘，因此很難說哪個(gè)事件在前，哪個(gè)事件在后。雖然每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的時(shí)鐘，盡管每臺(tái)時(shí)鐘

14、的工作都非常穩(wěn)定，但不能保證它們的頻率都完全相同。為了實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中的進(jìn)程同步，需要給系統(tǒng)中的每個(gè)事件指定一個(gè)時(shí)間值，即打上時(shí)間戳，以便對(duì)系統(tǒng)全局事件定序。在對(duì)分布式系統(tǒng)中的所有事件賦予時(shí)間戳?xí)r，應(yīng)滿足以下條件： 1 ）在同一節(jié)點(diǎn)上，若 A B ，則 C(A)<C(B) 。 2 ）若 A 、 B 分別是發(fā)送與接收同一消息的兩個(gè)事件，則 C(A)<C(B) 。 3 ）對(duì)系統(tǒng)中的任何兩個(gè)事件，必定 C(A) C(B) 。 例 在下圖中畫出了三臺(tái)機(jī)器（稱為節(jié)點(diǎn)機(jī)），它們都有自己的邏輯時(shí)鐘，在同一時(shí)刻，各節(jié)點(diǎn)機(jī)上的邏輯時(shí)鐘不同，節(jié)點(diǎn) 0 、 1 、 2 的邏輯時(shí)鐘值分別為 6 、 8 、

15、 10 。 ( 掌握修正算法 ) 在時(shí)刻 6 ，節(jié)點(diǎn) 0 發(fā)消息 A 給節(jié)點(diǎn) 1 ，節(jié)點(diǎn) 1 的邏輯時(shí)鐘值為 16 ，節(jié)點(diǎn) 1 發(fā)消息 B 給節(jié)點(diǎn) 2 ，消息到達(dá)節(jié)點(diǎn) 2 的邏輯時(shí)鐘值為 40 。上述情況看來都是合理的。 現(xiàn)在觀察另一種現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn) 2 在 60 時(shí)發(fā)消息 C ，到達(dá)節(jié)點(diǎn) 1 的時(shí)間是 56 ，同樣，節(jié)點(diǎn) 1 在 64 時(shí)發(fā)消息 D ，消息到達(dá)節(jié)點(diǎn) 0 的時(shí)間是 54 ，見圖 1.1(a) ，這顯然是不可能的，也是不合理的。 為了解決這一問題， Lamport 提出了一個(gè)算法。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到另一節(jié)點(diǎn)來的節(jié)點(diǎn)就應(yīng)修正自己的邏輯時(shí)鐘值。例如，節(jié)點(diǎn) 2 在 60 時(shí)向節(jié)點(diǎn) 1 發(fā)消息

16、C ，在節(jié)點(diǎn) 1 的邏輯時(shí)鐘值就應(yīng)修改成 61 。類似地，消息 D 的到達(dá)時(shí)間應(yīng)該修改成 70 ，見圖（ b ）。 分布式系統(tǒng)中的資源管理：采用一類資源有多個(gè)管理者的分布式管理方式。分布式管理方式又可分為集中分布管理和完全分布管理兩種方式。集中分布管理和完全分布管理方式的區(qū)別是，前者讓資源管理者對(duì)它所管的資源擁有全部控制權(quán)，而后者只允許資源管理者對(duì)資源擁有部分控制權(quán)。 5 2 并行性、并行處理與并行計(jì)算機(jī)的概念，緊耦合系統(tǒng)與松耦合系統(tǒng)的區(qū)別，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 并行性：并行性有三種含義：同時(shí)性、并發(fā)性、流水線 并行處理：是一種有效的強(qiáng)調(diào)開發(fā)計(jì)算過程中并行事件的信息處理方式。 并行計(jì)算機(jī)：?jiǎn)?/p>

17、指令流單數(shù)據(jù)流（ SISD ） 單指令流多數(shù)據(jù)流（ SIMD ） 多指令流單數(shù)據(jù)流（ MISD ） 多指令流多數(shù)據(jù)流（ MIMD ） 緊耦合與松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于有無共享存儲(chǔ)器。緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)有共享存儲(chǔ)器，所以也稱其為共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)多處理機(jī)系統(tǒng)，松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)沒有共享存儲(chǔ)器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)容量較大的局部存儲(chǔ)器，所以也稱其為分布存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)多處理機(jī)系統(tǒng)。 緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)程間的通信可采用基于共享變量的通信方式。 松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)程間的通信可采用采用基于消息傳遞的通信方式。 5 3 加速比、系統(tǒng)平均利用率的概念，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 加速比：在多機(jī)處理系統(tǒng)中，一個(gè)作業(yè)

18、在單機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間與在多處理機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間的比值。 系統(tǒng)的平均利用率：在多處理機(jī)系統(tǒng)中 P 臺(tái)處理機(jī)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間與 P 臺(tái)處理機(jī)被占用時(shí)間的比值。 5 4 多處理機(jī)系統(tǒng)中輕載、重載、空載、適載、負(fù)載平衡的概念，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 T1 T2 輕載：小于 T1 重載：大于 T2 適載：大于 T1 且小于 T2 空載：為零 負(fù)載平衡：是指系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)都處于適載狀態(tài)，這是一種嚴(yán)格意義上的負(fù)載平衡。 靜態(tài)負(fù)載平衡：進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，根據(jù)負(fù)載情況分配處理機(jī)。 動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡：通過交換系統(tǒng)狀態(tài)信息決定負(fù)載的分配。 5 5 多處理機(jī)操作系統(tǒng)的主要特征，要求達(dá)到 領(lǐng)會(huì)層次 。 主要特征： 并行性：?jiǎn)螜C(jī)多道

19、程序系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的處理能力 分布性：任務(wù)分布，控制分布，資源分布 系統(tǒng)容錯(cuò)性：系統(tǒng)中某一部分發(fā)生故障后，系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)重新組合，降級(jí)使用。 5 6 多處理機(jī)系統(tǒng)中兩種通信方式，要求達(dá)到 識(shí)記層次 。 兩種通信方式：共享變量（緊耦合多處理機(jī)）、消息傳遞（松耦合多處理機(jī)） 5 7 計(jì)算加速比和系統(tǒng)的平均利用率，要求達(dá)到 簡(jiǎn)單應(yīng)用層次 。 定義：加速比：在多機(jī)處理系統(tǒng)中，一個(gè)作業(yè)在單機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間與在多處理機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間的比值。 系統(tǒng)的平均利用率：在多處理機(jī)系統(tǒng)中 P 臺(tái)處理機(jī)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間與 P 臺(tái)處理機(jī)被占用時(shí)間的比值。 參考教材 P26 圖 1-17 例題 例：給定作業(yè)，它有多個(gè)任務(wù)組成 T1,T2T9, 前驅(qū)關(guān)系如圖 a 所示，在兩個(gè)處理機(jī)上執(zhí)行情況如圖 b 所示 , 求加速比和系統(tǒng)的平均利用率。 兩個(gè)處理機(jī)： 加速比： Sp=