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第一章 操作系統(tǒng)引論一、 什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源、有效地組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件(或程序集合),是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間的接口。解釋?zhuān)嘿Y源的概念 被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)所引用的一切客體都稱(chēng)為資源。這里所說(shuō)的客體可能是處理機(jī)、設(shè)備、內(nèi)存、外存等硬件,也可能是程序、數(shù)據(jù)、信息等軟件。為了資源可以被引用,資源都有名字??刂瀑Y源的使用,有兩條資源管理命令:申請(qǐng)資源和釋放資源。我們約定:申請(qǐng)命令在程序使用資源前發(fā)出,如果所申請(qǐng)的資源可以使用,則程序可立即得到該資源的使用權(quán),稱(chēng)為程序占有該資源或把這個(gè)資源分配給申請(qǐng)它的程序。釋放命令在程序使用資源后發(fā)出,表示程序放棄對(duì)于資源的使用權(quán),稱(chēng)為程序釋放該資源或把這個(gè)資源由占有它的程序處收回。操作系統(tǒng)需要管理的資源一般多是下面三種類(lèi)型:?jiǎn)我毁Y源-由一個(gè)資源實(shí)體組成的資源。如一臺(tái)打字機(jī)、一臺(tái)處理機(jī)等。根據(jù)單一資源被占用的情況,分為“空閑”和“工作”兩個(gè)狀態(tài)。有限資源-由若干個(gè)相同的單一資源組成的資源集合。它的使用限制與集合中元素的個(gè)數(shù)有關(guān),它可以被多次占用,也可以被不同的程序同時(shí)占用。如內(nèi)存是由多個(gè)單一資源即單元構(gòu)成的,是有限資源。無(wú)窮資源-由無(wú)限多個(gè)相同單一資源組成的資源集合。如果有限資源中的元素個(gè)數(shù)多到充分夠用,可以看作由無(wú)窮多個(gè)單一資源所組成。如當(dāng)內(nèi)存的容量無(wú)限大時(shí),可以看成是無(wú)窮資源。二、 操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)主要有五大功能:存儲(chǔ)器管理內(nèi)存分配、地址映射、內(nèi)存保護(hù)和內(nèi)存擴(kuò)充。處理機(jī)管理作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程控制和進(jìn)程通信。設(shè)備管理緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和設(shè)備無(wú)關(guān)性。文件管理文件存儲(chǔ)空間的管理、文件操作的一般管理、目錄管理、文件的讀寫(xiě)管理和存取控制。用戶(hù)界面管理命令界面、程序界面和圖形界面。三、 操作系統(tǒng)的特征操作系統(tǒng)的特征就是:并發(fā)、共享、異步性。其中,并發(fā)是指兩個(gè)或多個(gè)活動(dòng)在同一給定的時(shí)間間隔中進(jìn)行,注意,這是一個(gè)宏觀上的概念。共享是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源被多個(gè)任務(wù)使用,例如共享內(nèi)存、打印機(jī)等。異步與同步的概念相反,表示各程序在執(zhí)行過(guò)程中“走走停?!钡男再|(zhì)。四、 操作系統(tǒng)的類(lèi)型一般來(lái)說(shuō),把操作系統(tǒng)分為如下幾個(gè)類(lèi)型:多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、個(gè)人機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)。其中前三種是操作系統(tǒng)的常用分類(lèi),隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái),以及計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合,才形成了個(gè)人機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),而分布式操作系統(tǒng)是比網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)層次更高的操作系統(tǒng),它使得網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)在使用網(wǎng)絡(luò)資源時(shí),不需了解網(wǎng)上資源的位置,如同使用本地資源一樣方便、快捷,這是分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的根本差別。這一節(jié)要弄清“分時(shí)”和“實(shí)時(shí)”的概念,分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)的使用特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。五、 操作系統(tǒng)的用戶(hù)界面操作系統(tǒng)的用戶(hù)界面是操作系統(tǒng)與使用者的接口,現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常提供三種界面:命令界面、圖形界面和系統(tǒng)調(diào)用界面以UNIX操作系統(tǒng)為例,它提供了上述三種用戶(hù)界面。UNIX命令的格式: 命令名 選項(xiàng) 參數(shù)例如:$ ls l /user 命令中,ls是命令名(列文件目錄),l為一個(gè)選項(xiàng)(表示以長(zhǎng)格式顯示),/user為一個(gè)參數(shù)(表示顯示user下的文件)。SCO UNIX的圖形界面,請(qǐng)參考教材28頁(yè)。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核與用戶(hù)程序、應(yīng)用程序之間的接口。在UNIX系統(tǒng)中,系統(tǒng)調(diào)用以C函數(shù)的形式出現(xiàn)的。它只能在C程序中使用,不能做為命令在終端輸入。六、 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)從誕生至今的50多年里,計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)從無(wú)到有,經(jīng)歷了手工操作階段、早期批處理階段、多道批處理階段,進(jìn)而形成了分時(shí)、實(shí)時(shí)、個(gè)人機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、分布式以及多處理器等多個(gè)種類(lèi)的操作系統(tǒng)。這里要知道“批處理”、“多道”的含義,理解其設(shè)計(jì)思想。七、 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)軟件,為各種應(yīng)用程序提供服務(wù)。這樣一個(gè)大軟件,它的結(jié)構(gòu)一般有三種:?jiǎn)螇K結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。八、教學(xué)要求(1) 牢固掌握操作系統(tǒng)的定義:操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源、有效地組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件(或程序集合),是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)之間的接口。記憶要點(diǎn):操作系統(tǒng)是什么是核心系統(tǒng)軟件; 操作系統(tǒng)管什么控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種資源; 操作系統(tǒng)有何用擴(kuò)充硬件功能,方便用戶(hù)使用。(2) 牢固掌握操作系統(tǒng)的五大主要功能:存儲(chǔ)器管理、處理機(jī)管理、設(shè)備管理、文件管理、用戶(hù)接口管理。(3) 清楚地了解操作系統(tǒng)所處的地位:是裸機(jī)之上的第一層軟件,是建立其他所有軟件的基礎(chǔ)。(4) 記住操作系統(tǒng)的基本特征:并發(fā)、共享和異步性。理解模擬:并發(fā)“大家都前進(jìn)了”; 共享“一件東西大家用”; 異步性“你走我?!?。(5) 記住并理解操作系統(tǒng)的主要類(lèi)型:多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、個(gè)人機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)。UNIX系統(tǒng)是著名的分時(shí)系統(tǒng)。(6) 理解分時(shí)概念:主要是指若干并發(fā)程序?qū)PU時(shí)間的共享。(7) 記住并明白UNIX命令行的一般格式:命令名選項(xiàng) 參數(shù)(8) 了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供的三種使用界面:命令界面、圖形界面和系統(tǒng)調(diào)用界面。(9) 了解分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)。第二章 進(jìn)程管理一、 進(jìn)程的概念進(jìn)程是操作系統(tǒng)最基本的概念之一,引入這個(gè)概念,對(duì)于我們理解、描述和設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)具有重要意義。這里我們把進(jìn)程定義為:程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過(guò)程。這里要注意進(jìn)程與程序的關(guān)系,認(rèn)識(shí)到它們是完全不同的概念,同時(shí)又有密切的聯(lián)系。進(jìn)程基本的五大特征是動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、調(diào)度性、異步性和結(jié)構(gòu)性。二、 進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的間斷性決定了進(jìn)程可能具有多種狀態(tài),事實(shí)上,運(yùn)行的進(jìn)程有三種基本狀態(tài):運(yùn)行態(tài):進(jìn)程分配到必要的資源,在處理機(jī)上執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)。就緒態(tài):進(jìn)程分配到必要的資源,還沒(méi)有獲得在處理機(jī)上執(zhí)行的狀態(tài)。阻塞態(tài):或稱(chēng)等待態(tài),進(jìn)程的執(zhí)行受到了阻塞而處于暫停狀態(tài)。進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性質(zhì)決定了進(jìn)程的狀態(tài)不是固定的,它隨著自身的推進(jìn)和外界條件的變化而不斷變化。進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換主要體現(xiàn)為:就緒進(jìn)程被調(diào)度進(jìn)入運(yùn)行態(tài),運(yùn)行狀態(tài)受阻塞轉(zhuǎn)入阻塞狀態(tài),阻塞狀態(tài)在阻塞消除后進(jìn)入就緒狀態(tài)等待調(diào)度,不能直接返回運(yùn)行狀態(tài)。在分時(shí)系統(tǒng)中,當(dāng)時(shí)間片到期,正在執(zhí)行的進(jìn)程返回到就緒狀態(tài)等待下一次調(diào)度。進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換圖見(jiàn)教材44頁(yè)圖2-6。三、 進(jìn)程的同步與互斥進(jìn)程的同步與互斥是指進(jìn)程在推進(jìn)時(shí)的相互制約關(guān)系。在多道程序系統(tǒng)中,由于資源共享與進(jìn)程合作,這種進(jìn)程間的制約稱(chēng)為可能。為了保證進(jìn)程的正確運(yùn)行以及相互合作的進(jìn)程之間交換信息,需要進(jìn)程之間的通信。進(jìn)程之間的制約關(guān)系體現(xiàn)為:進(jìn)程的同步和互斥。進(jìn)程同步:它主要源于進(jìn)程合作,是進(jìn)程間共同完成一項(xiàng)任務(wù)時(shí)直接發(fā)生相互作用的關(guān)系。為進(jìn)程之間的直接制約關(guān)系。在多道環(huán)境下,這種進(jìn)程間在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)是必不可少的。進(jìn)程互斥:它主要源于資源共享,是進(jìn)程之間的間接制約關(guān)系。在多道系統(tǒng)中,每次只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的資源稱(chēng)為臨界資源,進(jìn)程互斥就是保證每次只有一個(gè)進(jìn)程使用臨界資源。臨界資源和臨界區(qū):一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用的共享資源稱(chēng)為臨界資源,如打印機(jī)、公共變量等;而在每個(gè)進(jìn)程中訪問(wèn)臨界資源的程序段稱(chēng)為臨界區(qū)。進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)要滿(mǎn)足一定的條件,以保證臨界資源的安全使用,系統(tǒng)的正常運(yùn)行。四、 多道程序設(shè)計(jì)進(jìn)程之間的制約關(guān)系是由于多道程序設(shè)計(jì)帶來(lái)的,什么是多道程序設(shè)計(jì)呢?多道程序設(shè)計(jì)是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)或更多個(gè)程序。多道程序打破了單道程序“閉關(guān)自守”的局面,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟、硬件資源為幾道程序所共享,使得整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入并發(fā)執(zhí)行狀態(tài)。多道程序設(shè)計(jì)思想帶來(lái)了進(jìn)程的同步和互斥等通信問(wèn)題,同時(shí)也提高了系統(tǒng)資源利用率,增加了作業(yè)的吞吐量。五、 進(jìn)程的組成進(jìn)程通常由程序、程序所需數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊(PCB)三部分組成。如45頁(yè)圖2-7。PCB描述進(jìn)程的執(zhí)行情況。它與進(jìn)程共存亡:創(chuàng)建進(jìn)程、產(chǎn)生PCB、撤消進(jìn)程、系統(tǒng)回收PCB。它包含進(jìn)程的描述信息和控制信息,例如進(jìn)程名、特征信息、進(jìn)程狀態(tài)信息、調(diào)度優(yōu)先權(quán)、通信信息、中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、程序和數(shù)據(jù)地址等等。PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。也是系統(tǒng)管理和控制進(jìn)程的依據(jù)。六、 進(jìn)程管理的基本命令進(jìn)程的管理主要包括創(chuàng)建進(jìn)程、撤消進(jìn)程、掛起進(jìn)程、恢復(fù)進(jìn)程、改變進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、封鎖進(jìn)程、喚醒進(jìn)程、調(diào)度進(jìn)程等。在UNIX系統(tǒng)中,進(jìn)程的狀態(tài)分為10種。相關(guān)的基本命令有:ps檢查系統(tǒng)中當(dāng)前存在的進(jìn)程的狀態(tài)。sleep使進(jìn)程暫停執(zhí)行一段時(shí)間(參數(shù)單位為秒)。&使鍵入的命令進(jìn)入后臺(tái)運(yùn)行。wait等待后臺(tái)進(jìn)程結(jié)束。kill終止一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行。nice以不同的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行一條命令。七、 信號(hào)量和P、V操作在多道系統(tǒng)中,信號(hào)量機(jī)制是一種有效的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥的工具。信號(hào)量的值表示系統(tǒng)中某類(lèi)資源的數(shù)目。若它大于0,則表示系統(tǒng)中當(dāng)前可用資源的數(shù)量;若它小于0,表示系統(tǒng)中等待使用該資源的進(jìn)程數(shù)目,即在該信號(hào)量隊(duì)列上排隊(duì)的PCB的個(gè)數(shù)。信號(hào)量的值是可變的,由P、V操作來(lái)改變。PV操作是對(duì)信號(hào)量進(jìn)行處理的操作過(guò)程,而且信號(hào)量只能由P、V操作來(lái)改變。P操作是對(duì)信號(hào)量減1,意味著請(qǐng)求系統(tǒng)分配一個(gè)單位資源,若系統(tǒng)無(wú)可用資源,則現(xiàn)進(jìn)程變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。V操作是對(duì)信號(hào)量加1,意味著釋放一個(gè)單位資源,加1后若信號(hào)量小于等于零,則從就緒對(duì)列中喚醒一個(gè)進(jìn)程,執(zhí)行V操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。同步和互斥都可以通過(guò)P、V操作來(lái)實(shí)現(xiàn),而生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題則是它們的結(jié)合點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)見(jiàn)教材64頁(yè)。八、 進(jìn)程間的通信進(jìn)程通信是指進(jìn)程間的信息交換。P、V操作做為進(jìn)程的同步與互斥工具因信息交換量少,效率太低,稱(chēng)為低級(jí)通信。而高級(jí)通信則以較高的效率傳送大批數(shù)據(jù)。高級(jí)通信方式主要有:共享存儲(chǔ)器、消息傳遞和管道文件。九、教學(xué)要求(1) 理解多道程序設(shè)計(jì)概念及其優(yōu)點(diǎn);(2) 牢固掌握進(jìn)程的概念程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過(guò)程。(3) 深入理解進(jìn)程最基本的屬性是動(dòng)態(tài)性和并發(fā)性。(4) 掌握進(jìn)程與程序的主要區(qū)別。(5) 掌握進(jìn)程的基本狀態(tài):運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)。在什么條件下發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換?(6) 理解進(jìn)程的一般組成,應(yīng)深入理解進(jìn)程控制塊的作用。每個(gè)進(jìn)程有惟一的進(jìn)程控制塊。(7) 掌握進(jìn)程同步與互斥的概念。簡(jiǎn)單理解:同步是伙伴,互斥是競(jìng)爭(zhēng)。(8) 掌握進(jìn)程臨界資源和臨界區(qū)的概念,理解進(jìn)入臨界區(qū)的原則。(9)

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