new_ch1-13操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和用戶(hù)接口

1、1.3操作系統(tǒng)提供的服務(wù)和用戶(hù)接口 1.3.1 操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù) 1.3.2 操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口 1.3.3 程序接口與系統(tǒng)調(diào)用 1.3.4 操作接口與系統(tǒng)程序1.3.1操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù) 創(chuàng)建程序創(chuàng)建程序 執(zhí)行程序執(zhí)行程序 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)I/O I/O 信息存取信息存取 通信服務(wù)通信服務(wù) 錯(cuò)誤檢測(cè)和處理錯(cuò)誤檢測(cè)和處理 還具有另外一些功能還具有另外一些功能: :資源分配，統(tǒng)計(jì)，資源分配，統(tǒng)計(jì)， 保護(hù)保護(hù)。 操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(1) 用戶(hù)和操作系統(tǒng)間的兩種接口 系統(tǒng)調(diào)用 操作命令或 JCL 操 作 系 統(tǒng) 裸 機(jī)(操作接口)(程序接口)操作

2、系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(2) 程 序 接 口 又 稱(chēng) 應(yīng) 用 編 程 接 口程 序 接 口 又 稱(chēng) 應(yīng) 用 編 程 接 口 A P I（Application Programming Interface），允許運(yùn)行程序調(diào)用操作系統(tǒng)的服務(wù)和功能。 程序接口由一組系統(tǒng)調(diào)用（System Call)）組成，用戶(hù)程序使用“系統(tǒng)調(diào)用”就可獲得操作系統(tǒng)的底層服務(wù)，使用或訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)的各種軟硬件資源。操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(3) 在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)中，往往提供與各系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，應(yīng)用程序可通過(guò)對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)來(lái)使用系統(tǒng)調(diào)用， 庫(kù)函數(shù)的目的是隱藏訪(fǎng)管指令細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)調(diào)用更象過(guò)程調(diào)用，但一般地說(shuō)，庫(kù)函數(shù)屬于用

3、戶(hù)程序而非系統(tǒng)程序。 操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供系統(tǒng)調(diào)用也出于安全和效率考慮，使得用戶(hù)態(tài)程序不能自由地訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)核關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或直接訪(fǎng)問(wèn)硬件資源。操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(4) UNIX/Linux系統(tǒng)程序、庫(kù)函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用的分層關(guān)系 操作系統(tǒng)(進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理等) 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)(打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)、創(chuàng)建、撤銷(xiāo)等) 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)程序(實(shí)用程序)(匯編、編譯、編輯、Shell等) 用戶(hù)用戶(hù)接口庫(kù)函數(shù)接口系統(tǒng)調(diào)用接口 硬件 (處理器、存儲(chǔ)器、磁盤(pán)、打印機(jī)、終端等)用戶(hù)態(tài)核心態(tài)操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(5) 操作接口又稱(chēng)作業(yè)級(jí)接口操作接口又稱(chēng)作業(yè)級(jí)接口，操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供的操作控制計(jì)算機(jī)工作和提供服

4、務(wù)手段的集合，通常有操作控制命令、圖形操作界面(命令)、以及批處理系統(tǒng)提供的作業(yè)控制語(yǔ)言(命令)等等。操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(6) Windows支持API的的三個(gè)組件： Kernel包含了多數(shù)操作系統(tǒng)函數(shù)，如內(nèi)存管理、進(jìn)程管理； User集中了窗口管理函數(shù)，如窗口創(chuàng)建、撤銷(xiāo)、移動(dòng)、對(duì)話(huà)等相關(guān)函數(shù)； GDI提供畫(huà)圖函數(shù)、打印函數(shù)。 Windows將三個(gè)組件置于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL中。 操作系統(tǒng)提供的用戶(hù)接口(7) Win32API和UNIX/Linux系統(tǒng)調(diào)用粗略對(duì)應(yīng)關(guān)系 UNIX/Linux Win32 說(shuō)明說(shuō)明fork CreatProcess 創(chuàng)建進(jìn)程 waitpid WaitForSing

5、leObject 等待進(jìn)程終止open/close CreatFile/CloseHandle 創(chuàng)建或打開(kāi)/關(guān)閉文件read/write ReadFile/WriteFile 讀/寫(xiě)文件lseek SetFilePointer 移動(dòng)文件指針mkdir/rmdir Creat/Remove Directory 建立/刪除目錄stat GetFileAttributesEx 獲得文件屬性 1.3.3 程序接口與系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用(1)(1)1.1. 系統(tǒng)調(diào)用的分類(lèi)系統(tǒng)調(diào)用的分類(lèi)1) 進(jìn)程和作業(yè)管理：2) 文件操作： 3) 設(shè)備管理： 4) 內(nèi)存管理： 5) 信息維護(hù)：6) 通信：系統(tǒng)調(diào)用(2

6、) 2.系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn) 一. 是編寫(xiě)系統(tǒng)調(diào)用處理程序； 二. 是設(shè)計(jì)一張系統(tǒng)調(diào)用入口地址表，每個(gè)入口地址都指向一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的處理程序，有的系統(tǒng)還包含系統(tǒng)調(diào)用自帶參數(shù)的個(gè)數(shù)； 三. 是陷入處理機(jī)制需開(kāi)辟現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)，以保存發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的處理器現(xiàn)場(chǎng)。 系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用(3)(3)系統(tǒng)調(diào)用的處理過(guò)程 System Call用戶(hù)程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn系統(tǒng)調(diào)用處理子程序取系統(tǒng)功能號(hào)找入口地址表相應(yīng)入口地址結(jié)束處理恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)A0A1AiAn保護(hù)CPU現(xiàn)場(chǎng)陷入指令系統(tǒng)調(diào)用陷入機(jī)構(gòu)入口地址表系統(tǒng)調(diào)用(4)系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)傳遞一是由訪(fǎng)管指令或陷入指令自帶參數(shù)， 直

7、接參數(shù) 間接參數(shù)二是通過(guò)CPU的通用寄存器傳遞參數(shù)，或 在內(nèi)存的一個(gè)塊或表中存放參數(shù)，其首地址送入寄存器，實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞。三是在內(nèi)存中開(kāi)辟專(zhuān)用堆棧區(qū)域傳遞參數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用(5)(5)傳遞參數(shù)的一種方法 系統(tǒng)調(diào)用8的處理子程序操作系統(tǒng)X: 參數(shù)LOAD AddR XSystem Call 8X從表X取參數(shù)寄存器系統(tǒng)調(diào)用(6)Linux系統(tǒng)調(diào)用 Linux系統(tǒng)調(diào)用由兩部分組成： 核心函數(shù)核心函數(shù) 是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用功能的(內(nèi)核)代碼。 接口函數(shù)接口函數(shù) 是提供給應(yīng)用程序的API,以庫(kù)函數(shù)形式存在Linux的lib.a中。系統(tǒng)調(diào)用(7) Linux系統(tǒng)調(diào)用控制程序的功能系統(tǒng)調(diào)用控制程序的功能 (1)

8、(1)取系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，檢驗(yàn)合法性；取系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，檢驗(yàn)合法性； (2)(2)建立調(diào)用堆棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)信息；建立調(diào)用堆棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)信息； (3)(3)根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)定位核心函數(shù)地址；根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)定位核心函數(shù)地址； (4)(4)根據(jù)通用寄存器內(nèi)容，從用戶(hù)棧中取根據(jù)通用寄存器內(nèi)容，從用戶(hù)棧中取入口參數(shù)；入口參數(shù)； (5)(5)核心函數(shù)執(zhí)行，把結(jié)果返回應(yīng)用程序；核心函數(shù)執(zhí)行，把結(jié)果返回應(yīng)用程序； (6)(6)執(zhí)行退棧操作，判別調(diào)度程序執(zhí)行退棧操作，判別調(diào)度程序schedulerscheduler是否要被執(zhí)行。是否要被執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用(8)系統(tǒng)調(diào)用與過(guò)程系統(tǒng)調(diào)用與過(guò)程(函數(shù)函數(shù)) 調(diào)用的區(qū)別調(diào)用的區(qū)別一一 是

9、調(diào)用形式是調(diào)用形式二二 是被調(diào)用代碼的位置是被調(diào)用代碼的位置 三三 是提供方式是提供方式四四 是調(diào)用的實(shí)現(xiàn)是調(diào)用的實(shí)現(xiàn) 1.3.4 操作接口與系統(tǒng)程序(1) 操作接口操作接口又稱(chēng)作業(yè)(或功能)級(jí)接口，是操作系統(tǒng)為用戶(hù)操作控制計(jì)算機(jī)工作和提供服務(wù)的手段的集合，通?？山柚僮骺刂泼?、圖形操作界面(命令)、以及作業(yè)控制語(yǔ)言(命令)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。操作接口與系統(tǒng)程序(2) 1. 作業(yè)控制方式作業(yè)控制方式 操作系統(tǒng)提供聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式和脫操作系統(tǒng)提供聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式和脫機(jī)作業(yè)控制方式兩個(gè)作業(yè)級(jí)接口，使機(jī)作業(yè)控制方式兩個(gè)作業(yè)級(jí)接口，使用的手段為操作命令：用的手段為操作命令： 操作控制命令操作控制命令 作業(yè)控制

10、語(yǔ)言作業(yè)控制語(yǔ)言(命令命令)聯(lián)機(jī)用戶(hù)接口操作控制命令 命令行方式命令行方式 批命令方式批命令方式 圖形化方式圖形化方式批命令方式(1) 在使用操作命令過(guò)程中， 有時(shí)需要連續(xù)使用多條命令； 有時(shí)需要多次重復(fù)使用若干條命令； 有時(shí)需要選擇地使用不同命令 可用批命令實(shí)現(xiàn)。 批命令方式(2)批命令實(shí)現(xiàn)思想 規(guī)定特別的文件擴(kuò)展名，用戶(hù)先把一系列命令組織在該文件中，一次建立，多次執(zhí)行。 操作系統(tǒng)支持命令文件使用一套控制子命令，可寫(xiě)出帶形式參數(shù)的批命令文件。這樣的批命令文件可執(zhí)行不同的命令序列，增強(qiáng)命令接口的處理能力。UNIX的Shell(1) Shell是交互型命令解釋程序，也是命令級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言解釋系統(tǒng)

11、，例如， Myrun文件包含： cat $1 /* 顯示文件*/ cc $1 /* 編譯源程序*/ mv a.out $2 /*把目標(biāo)程序改為$2*/ $2 /*運(yùn)行$2*/ 執(zhí)行 csh myrun prog1.c prog ，將對(duì)源程序prog1.c進(jìn)行顯示和編譯，把目標(biāo)程序改名為prog并運(yùn)行。UNIX的Shell(2)另一個(gè)UNIX Shell的例子 從/user/user1/fei文件中，利用循環(huán)控制語(yǔ)句找出含單詞：process、thread信息行。其Shell程序feipro為 for i do grep $i/user/usr1/fei done 執(zhí)行 csh feipro p

12、rocess thread依次打印出含process和thread的信息行。MS-DOS操作系統(tǒng)的批文件 testbat是查找某文件是否存在的批文件： echo off if exist %1 goto lab1 echo %1 not found! goto lab2 ：lab1 echo %1 is found! ：lab2 用戶(hù)鍵入命令：test wpsexe 執(zhí)行批文件，若找到 文 件 顯 示 wpsexe is found! ；否 則 顯 示 wps.exe not found!脫機(jī)用戶(hù)接口作業(yè)控制語(yǔ)言 批處理接口：作業(yè)控制語(yǔ)言JCL（ Job Control Language） 用

13、戶(hù)使用JCL語(yǔ)句，把運(yùn)行意圖(需要對(duì)作業(yè)進(jìn)行的控制和干予)寫(xiě)在作業(yè)說(shuō)明書(shū)上，將作業(yè)連同作業(yè)說(shuō)明書(shū)一起提交給系統(tǒng) 批處理作業(yè)的調(diào)度執(zhí)行過(guò)程，系統(tǒng)調(diào)用JCL語(yǔ)句處理程序或命令解釋程序IBM JCL的一個(gè)例子/ HAROLD JOB,WILSON,MSGLEVEL=(2,0),PRTY=6,CLASS=b/ COMP EXEC PGM=IEYFORT/ SYSPRINT DD SYSOUT=A/ SYSIN DD* . . /*/ GO EXEC PGM=FORTLINK/ SYSPRINT DD SYSOUT=A/ FTOTF001 DD UNIT=SYSCP/ GO SYSIN DD* . ./

14、*/2. 命令解釋程序 命令解釋程序的主要功能是：接受和執(zhí)行下一條用戶(hù)從鍵盤(pán)輸入的命令。當(dāng)新的批作業(yè)被啟動(dòng)，或新的交互型用戶(hù)登錄時(shí)，系統(tǒng)就自動(dòng)地執(zhí)行命令解釋程序，它負(fù)責(zé)讀入控制卡或命令行，并作出相應(yīng)解釋和執(zhí)行。命令解釋程序?qū)崿F(xiàn)的兩種方式 一種是它自身包含了命令的執(zhí)行代碼。 另一種是由專(zhuān)門(mén)的“系統(tǒng)程序” 實(shí)現(xiàn)，自身不含命令處理代碼，也不進(jìn)行處理，僅僅把這條命令對(duì)應(yīng)的命令文件裝入內(nèi)存執(zhí)行。 命令解釋程序的處理過(guò)程 系統(tǒng)啟動(dòng)命令解釋程序，輸出命令提示符，等待鍵盤(pán)中斷。用戶(hù)打入命令并按回車(chē)換行，申請(qǐng)鍵盤(pán)中斷。 CPU響應(yīng)后，控制權(quán)交給命令解釋程序，它讀入命令緩沖區(qū)內(nèi)容，分析命令、接受參數(shù)。 若為簡(jiǎn)單命

15、令立即轉(zhuǎn)向命令處理代碼執(zhí)行。否則查找命令處理文件，裝入主存，傳遞參數(shù)，將控制權(quán)交給其執(zhí)行。 命令處理結(jié)束后，再次輸出命令提示符，等待下一條命令。系統(tǒng)程序(1) 系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序又稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)程序或?qū)嵱贸绦颍║tilities），雖非操作系統(tǒng)的核心，但卻必不可少，為用戶(hù)程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、執(zhí)行、和維護(hù)解決帶有共性的問(wèn)題或執(zhí)行公共操作， 操作系統(tǒng)以外部操作命令形式向用戶(hù)提供系統(tǒng)程序。它的功能和性能很大程度上反映了操作系統(tǒng)的功能和性能。 系統(tǒng)程序(2) 系統(tǒng)程序的分類(lèi)：系統(tǒng)程序的分類(lèi)： 文件管理文件管理 狀態(tài)信息狀態(tài)信息 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言支持程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言支持 程序的裝入和執(zhí)行支持程序的裝入和執(zhí)行支持 通信通信 其它軟件工具其它軟件工具 UNIX系統(tǒng)調(diào)用 系 統(tǒng) 調(diào) 用 符 合 可 移 植 操 作 系 統(tǒng)POSIX1003.1標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)兼容的UNIX都必須支持它。 UNIX的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用分進(jìn)程管理、文件管理、設(shè)備管理、及狀態(tài)控制等五十余條，系統(tǒng)調(diào)用是軟件開(kāi)發(fā)者進(jìn)入U(xiǎn)NIX內(nèi)核的入口。UNIX標(biāo)準(zhǔn)函數(shù) UNIX提供標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，POSIX1003.1標(biāo)準(zhǔn)定義了庫(kù)過(guò)程的集合,組成了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，其中較重要的是I/O庫(kù)函數(shù)。 庫(kù)函數(shù)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)