操作系統(tǒng)原理課件

操作系統(tǒng)畢野計算機科學系（407室）操作系統(tǒng)畢野前言課程地位：操作系統(tǒng)是計算機本科學生一門重要的專業(yè)必修課，也是一門核心主干課。課程影響：提高專業(yè)理論水平和基本操作技能；培養(yǎng)較高層次的應用開發(fā)和實踐創(chuàng)新能力；提高未來發(fā)展機遇和競爭能力。課程目標：主要掌握操作系統(tǒng)的基本概念，基本組成和基本功能，以及實現(xiàn)各功能的基本原理、技術(shù)和方法。前言課程地位：操作系統(tǒng)是計算機本科學生一門重要的專前言課程特點：概念多，理論深，方法活。學習要求：認真讀書、理解概念、完成作業(yè)、上機實驗。考試形式：理論閉卷：70%；作業(yè)、實驗平時考查：30%前言課程特點：概念多，理論深，方法活。第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計補充：操作系統(tǒng)的運行環(huán)境

第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標和作用學習目標重點OS發(fā)展過程中的相關技術(shù)、概念（1.2節(jié)）多道程序設計技術(shù)（1.2節(jié)）OS目標、作用、基本特性（1.1、1.4節(jié)）學習目標重點1.1操作系統(tǒng)的目標和作用分析：從應用需求看OS的產(chǎn)生背景用戶——應用程序——計算機硬件（低效、困難）用戶——應用程序——公共的底層硬件操作或公共服務——計算機硬件（高效、方便）結(jié)論：OS有利于填補用戶與機器硬件之間的鴻溝，為創(chuàng)建可用的計算環(huán)境提供了合理途徑OS（類似于政府）1.1操作系統(tǒng)的目標和作用分析：從應用需求看OS的產(chǎn)生背景OS的定義沒有一個精確統(tǒng)一的定義，一種使用比較普遍的說法（P9）：OS作為一種系統(tǒng)軟件，是一組能夠控制和管理計算機系統(tǒng)的硬軟件資源、合理組織計算機工作流程、方便用戶使用計算機的程序的集合。OS在系統(tǒng)中的地位政府：組織社會資源、制定發(fā)展規(guī)劃、堅持民本思想（便民、利民）OS的定義沒有一個精確統(tǒng)一的定義，一種使用比較普遍的說法（P1.1.1操作系統(tǒng)的目標有效性（針對硬軟件——自底向上的觀點）OS有利于提高系統(tǒng)的資源利用率OS有利于提高系統(tǒng)的吞吐量（通過合理地組織計算機的工作流程，縮短程序的運行周期）方便性（針對用戶——自頂向下的觀點）OS為方便用戶使用計算機提供了多種接口注意：有效性和方便性在不同系統(tǒng)中各有側(cè)重，可能需要折中考慮！?1.1.1操作系統(tǒng)的目標有效性（針對硬軟件——自底向上的1.1.1操作系統(tǒng)的目標（續(xù)）可擴充性OS要適應計算機硬件、體系結(jié)構(gòu)（多機系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)）以及應用發(fā)展（例如語音輸入）的要求。開放性開放性是指系統(tǒng)能遵循世界標準規(guī)范，便于軟硬件兼容和系統(tǒng)互連。POSIX：OS的應用程序接口（API）標準（P265）Window、X-Window：圖形用戶界面標準TCP/IP：網(wǎng)絡互聯(lián)的事實標準1.1.1操作系統(tǒng)的目標（續(xù)）可擴充性1.1.2操作系統(tǒng)的作用OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，是一種軟件接口。用戶通過OS來使用計算機。分為用戶接口程序接口（也稱系統(tǒng)調(diào)用或API）——>針對程序員聯(lián)機用戶接口（命令——>圖形用戶接口）脫機用戶接口（作業(yè)控制語言JCL）——>針對批處理作業(yè)1.1.2操作系統(tǒng)的作用OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的1.1.2操作系統(tǒng)的作用（續(xù)）OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者資源分為四類：處理器（CPU）、存儲器、I/O設備以及信息（數(shù)據(jù)和程序）。OS的資源管理功能：進程管理（或處理機管理）：用于分配和控制處理機；存儲管理：主要負責內(nèi)存的分配與回收；設備管理：負責I/O設備的分配與操縱；文件管理：負責文件的存取、共享和保護。1.1.2操作系統(tǒng)的作用（續(xù)）OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理1.1.2操作系統(tǒng)的作用（續(xù)）OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象OS是裸機上的第一層軟件，實現(xiàn)了對硬件功能的首次擴充，將用戶（程序員）從復雜硬件控制中解脫出來，為用戶提供的是一臺使用更為方便的虛擬機。裸機：不配備任何軟件的計算機系統(tǒng)。裸機對外提供的接口是指令系統(tǒng)和中斷捕獲能力。虛擬機：在原有機器的基礎上，增加一層或多層軟件后得到的功能更強大的新機器。經(jīng)OS擴充產(chǎn)生的虛擬機對用戶提供了更強大易用的用戶接口和程序接口。1.1.2操作系統(tǒng)的作用（續(xù)）OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象虛擬機的示意圖圖1-2

I/O軟件隱藏了I/O操作實現(xiàn)的細節(jié),形成了第一層虛擬機

虛擬機的示意圖圖1-2I/O軟件隱藏了I/O操作實現(xiàn)的細節(jié)經(jīng)OS多層軟件包裝產(chǎn)生的更強大、易用的虛擬機OS經(jīng)Java運行環(huán)境包裝產(chǎn)生的Java虛擬機紅色邊界：OS與硬件的邊界，屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究范疇（確定軟硬件的邊界）！虛擬機示意圖（續(xù)）經(jīng)OS多層軟件包裝產(chǎn)生的更強大、易用的虛擬機OS經(jīng)Java運1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用率（例如：批處理系統(tǒng)和多道程序設計技術(shù)）方便用戶使用（例如：分時系統(tǒng)、圖形用戶界面）器件的不斷更新?lián)Q代（32位OS——>64位OS）計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展（單機OS——網(wǎng)絡OS——分布式OS）注意：前兩個是最重要的發(fā)展主線1.1.3推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力不斷提高計算機資源利用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.2.4分時系統(tǒng)1.2.5實時系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式從1945年到50年代中期的計算機，屬于第一代，這時還未出現(xiàn)OS。由用戶（即程序員）采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)：預約上機（聯(lián)機——On-Line）程序和數(shù)據(jù)事先穿孔到紙帶(或卡片)上，然后裝入紙帶輸入機(或卡片輸入機)再啟動這些輸入設備將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)存，然后啟動計算機運行當程序運行完畢并取走計算結(jié)果之后，才讓下一個用戶上機。1.2.1無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)1.人工操作方式1.2.1無OS的計算機系統(tǒng)（續(xù)）缺點：用戶獨占全機資源獨占，資源利用率低用戶人工干預，不方便CPU等待人工操作I/O與CPU串行工作，用戶操作與CPU串行工作，CPU時間浪費嚴重結(jié)論：人機矛盾突出1.2.1無OS的計算機系統(tǒng)（續(xù)）缺點：1.2.1無OS的計算機系統(tǒng)（續(xù)）2.脫機輸入/輸出(Off-LineI/O)方式——50年代末隨著硬件發(fā)展，引入了外圍機，并出現(xiàn)了程序員和操作員的分工優(yōu)點：減少了CPU的空閑時間實現(xiàn)了CPU與I/O的并行工作提高I/O速度使用了更熟練的操作員使用了更快速的磁帶缺點：仍需人工干預圖1-3脫機I/O示意圖

1.2.1無OS的計算機系統(tǒng)（續(xù)）2.脫機輸入/輸出(O1.2.2單道批處理系統(tǒng)主要改進引入監(jiān)督程序（monitor），實現(xiàn)作業(yè)間的自動切換。監(jiān)督程序常駐內(nèi)存——OS的雛形工作方式作業(yè)成批組織作業(yè)單道執(zhí)行圖1-4單道批處理系統(tǒng)的處理流程

1.2.2單道批處理系統(tǒng)主要改進圖1-4單道批處理系統(tǒng)1.2.2單道批處理系統(tǒng)（續(xù)）主要特征自動性順序性單道性主要缺點：資源利用率仍有待提高單道作業(yè)獨占資源CPU與外設之間仍然是串行工作（見后圖1-5）原因：內(nèi)存中只有單道作業(yè)1.2.2單道批處理系統(tǒng)（續(xù)）主要特征1.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)（MultiprogrammedBatchProcessingSystem）在60年代中期產(chǎn)生，產(chǎn)生基礎：硬件基礎：中斷、通道技術(shù)軟件基礎：多道程序設計技術(shù)多道程序設計技術(shù)在內(nèi)存中同時保持多道程序，主機以交替方式同時處理多道程序?？梢詫崿F(xiàn)CPU與I/O設備的并行工作，有利于提高系統(tǒng)資源的利用率。標志著OS的形成一種專用于I/O的處理機1.2.3多道批處理系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)（Multiprog圖1-5單道和多道程序運行情況

圖1-5單道和多道程序運行情況1.2.3多道批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道批處理系統(tǒng)：多道技術(shù)+批處理方式用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個隊列，稱為“后備隊列”；——成批處理由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊列中選擇若干個作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源?！嗟蓝嗟琅幚硐到y(tǒng)的特征多道性無序性：并非亂序，而是執(zhí)行順序不確定調(diào)度性：兩級調(diào)度（高級調(diào)度---進程調(diào)度低級調(diào)度---作業(yè)調(diào)度）1.2.3多道批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道批處理系統(tǒng)：多道技術(shù)+批1.2.3多道批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點資源利用率高系統(tǒng)吞吐量大吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所完成的總工作量平均周轉(zhuǎn)時間長作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間是指從作業(yè)進入系統(tǒng)開始，直至其完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時間。由成批處理的作業(yè)組織方式所決定無交互能力用戶（指程序員）一旦把作業(yè)提交給系統(tǒng)后，直至作業(yè)完成，用戶都不能與自己的作業(yè)進行交互，對修改和調(diào)試程序很不方便滿足了提高資源利用率的要求不利于方便用戶1.2.3多道批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點滿足了1.2.3多道批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題處理機管理問題內(nèi)存管理問題I/O設備管理問題文件管理問題作業(yè)管理問題1.2.3多道批處理系統(tǒng)（續(xù)）多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題1.2.4分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)(Time-SharingSystem)的產(chǎn)生推動多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量推動分時系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要動力，則是用戶的需求用戶的需求人—機交互（關鍵）共享主機（要求互不影響）便于用戶上機（TS系統(tǒng)的直接目標）1.2.4分時系統(tǒng)分時系統(tǒng)(Time-SharingSy1.2.4分時系統(tǒng)（續(xù)）分時系統(tǒng)——交互式系統(tǒng)+多道程序設計在一臺主機上連接多個終端（鍵盤、顯示器），同時允許多個用戶通過自己的終端，以交互方式分時使用計算機，共享主機的資源。分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關鍵問題及時接收——鍵盤緩沖區(qū)+多路采集卡及時處理——作業(yè)直接入內(nèi)存，不允許一個作業(yè)長期占用處理機1.2.4分時系統(tǒng)（續(xù)）分時系統(tǒng)——交互式系統(tǒng)+多道程序設1.2.4分時系統(tǒng)（續(xù)）分時系統(tǒng)的工作方式用戶作業(yè)直接進入內(nèi)存（批處理是先入磁盤）基于時間片輪轉(zhuǎn)分配CPU時間分時系統(tǒng)的特征多路性——宏觀上同時，微觀上輪流獨立性——虛擬CPU及時性以人們所能接受的等待時間來確定的，通常僅為1～3秒鐘交互性——最重要特征1.2.4分時系統(tǒng)（續(xù)）分時系統(tǒng)的工作方式1.2.5實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)是指系統(tǒng)能及時(或即時)響應外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致地運行?！皩崟r”是表示“及時”實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)特征的比較多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性更強調(diào)及時性：以控制對象所要求的開始截止時間或完成截止時間來確定的，通常較短。1.2.5實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)(RealTimeSyste1.2.6微機操作系統(tǒng)的發(fā)展按字長：8位、16位、32位、64位OS按運行方式：單用戶單任務操作系統(tǒng)CP/M（8位）和MS-DOS（16位）單用戶多任務操作系統(tǒng)Windows系列（32位、64位）多用戶多任務操作系統(tǒng)UNIX（變體：Linux、Solaris）、VMS等（32位、64位）1.2.6微機操作系統(tǒng)的發(fā)展按字長：8位、16位、32位1.3操作系統(tǒng)的基本特性三種基本操作系統(tǒng)多道批處理系統(tǒng)——側(cè)重系統(tǒng)性能高分時系統(tǒng)——側(cè)重交互性實時系統(tǒng)——側(cè)重及時性操作系統(tǒng)的基本特征并發(fā)（最重要特征）共享虛擬異步兩個最基本特征1.3操作系統(tǒng)的基本特性三種基本操作系統(tǒng)兩個最基本特征1.3.1并發(fā)性并行性（Parallel）指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生并發(fā)性（Concurrence）指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生在單處理機系統(tǒng)和多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多個程序在同時運行，但微觀上這些程序只能是交替執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行的基本單位——進程或線程嚴格說，程序（Program）是不能并發(fā)執(zhí)行的。為實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，須將程序改造成進程（Process）進一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性，在進程基礎上引入線程（Thread）多個老師同時為一個班上課——并發(fā)1.3.1并發(fā)性并行性（Parallel）多個老師同時為1.3.2共享性共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程（線程）共同使用。兩種資源共享方式互斥共享——如何實現(xiàn)是OS的一個重要問題！一段時間內(nèi)只允許一個進程(線程)訪問特定資源臨界資源或獨占資源：大多數(shù)物理設備，以及軟件中所用的棧、變量和表格等。它們要求被互斥地共享。同時訪問針對磁盤、可重入文件等宏觀上同時，微觀上交替訪問1.3.2共享性共享1.3.3虛擬技術(shù)虛擬（Virtual）是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。虛擬性是用戶的一種感覺。OS中的虛擬技術(shù)虛擬處理機：多道程序設計技術(shù)（分時系統(tǒng)）虛擬內(nèi)存：虛擬存儲技術(shù)虛擬外部設備：SPOOLing技術(shù)（實現(xiàn)虛擬打印機）虛擬信道：多路復用技術(shù)1.3.3虛擬技術(shù)虛擬（Virtual）實現(xiàn)虛擬技術(shù)的兩種方式時分復用技術(shù)亦即分時使用方式?？梢詫崿F(xiàn)虛擬處理機、虛擬外部設備等，以提高資源的利用率。空分復用技術(shù)用來提高存儲空間的利用率。虛擬磁盤技術(shù)允許將一個硬盤劃分為多個邏輯驅(qū)動器；虛擬內(nèi)存技術(shù)使用外存空間從邏輯上擴充內(nèi)存空間。實現(xiàn)虛擬技術(shù)的兩種方式時分復用技術(shù)1.3.4異步性異步性（Asynchronism）多道程序環(huán)境下，進程是以人們不可預知的速度向前推進（走走停停而非一氣呵成），此即進程的異步性。異步性也稱為不確定性。不確定性并非運行結(jié)果的不確定，而是執(zhí)行順序、執(zhí)行進度的不確定（只要運行環(huán)境相同，同一個作業(yè)經(jīng)多次運行，都會獲得完全相同的結(jié)果）。1.3.4異步性異步性（Asynchronism）1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能（第２、３章）1.4.2存儲器管理功能（第４章）1.4.3設備管理功能（第５章）1.4.4文件管理功能（第６章）1.4.5操作系統(tǒng)與用戶之間的接口（第７章）1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1處理機管理功能（第２、1.4.1處理機管理功能進程控制創(chuàng)建和撤消進程（線程），實現(xiàn)進程（線程）運行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。重點介紹狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、控制原語進程同步為多個進程（線程）的運行進行協(xié)調(diào)：包括互斥訪問臨界資源、相互合作完成特定任務等。重點介紹實現(xiàn)同步的信號量機制（課程難點?。┻M程通信實現(xiàn)相互合作的進程之間的信息交換。包括：共享存儲器、消息傳遞、管道通信。調(diào)度包括作業(yè)調(diào)度和進程調(diào)度。重點介紹一些調(diào)度算法教師為一個班上課可認為是一個進程！1.4.1處理機管理功能進程控制教師為一個班上課可認為是