操作系統(tǒng)-01-引論

1、操作系統(tǒng)李玉娟信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程教研室liyujuan程簡(jiǎn)介課程特點(diǎn)：概念多、原理性強(qiáng)、較抽象; 課程學(xué)習(xí)目的：核心基礎(chǔ)課，有利于對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解和軟件開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)方法：?jiǎn)栴}驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、閱讀參考書(shū)、多思考；連貫前后章節(jié)、自我總結(jié)所學(xué)知識(shí)課程學(xué)習(xí)難點(diǎn)：概念、原理、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程要求：安排預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)；按時(shí)上課聽(tīng)講；及時(shí)提交作業(yè)；曠課累計(jì)超過(guò)3次，取消平時(shí)成績(jī)學(xué)時(shí)安排：理論64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)成績(jī)：考試80，平時(shí)20（考勤+提問(wèn)+作業(yè)）2參考書(shū)目及網(wǎng)上資源參考書(shū)目： 1）操作系統(tǒng)精髓與設(shè)計(jì)原理 機(jī)械工業(yè)出版社2）操作系統(tǒng)概念 高等教育出版社網(wǎng)上資源：1）中山大學(xué)操作系統(tǒng)網(wǎng)

2、絡(luò)課程： /os/2）計(jì)算機(jī)考研論壇： /f183）蒲曉蓉操作系統(tǒng)原理視頻3課程內(nèi)容安排第一章 操作系統(tǒng)引論第二章 進(jìn)程管理第三章 處理機(jī)調(diào)度與死鎖第四章 存儲(chǔ)器管理第五章 設(shè)備管理第六章 文件管理進(jìn)程管理硬件管理軟件管理4第一章操作系統(tǒng)引論5本章要點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：了解操作系統(tǒng)的地位什么是操作系統(tǒng)：四種基本觀點(diǎn)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征、功能、類(lèi)型基本概念：批處理、多道程序設(shè)計(jì)、作業(yè)、任務(wù)、進(jìn)程與線(xiàn)程、接口、虛擬存儲(chǔ)、文件61.1 OS的目標(biāo)和作用主要內(nèi)容：一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源分類(lèi)二、什么是操作系統(tǒng)三、 操作系統(tǒng)的目標(biāo)四、 推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力7軟件：系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)及實(shí)用程序）、應(yīng)用軟件硬件：處

3、理機(jī)（CPU）、內(nèi)存（條）、外部I/O設(shè)備（顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)、磁盤(pán)、磁帶、掃描儀），以及系統(tǒng)總線(xiàn)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源分類(lèi)8計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次用戶(hù)1財(cái)務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽超市管理科學(xué)計(jì)算（應(yīng)用程序）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 語(yǔ)言處理程序 系統(tǒng)輔助處理程序 數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件（裸機(jī)）用戶(hù)2用戶(hù)3用戶(hù)4用戶(hù)n（系統(tǒng)程序）9操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置10二、什么是操作系統(tǒng)關(guān)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)的四種基本觀點(diǎn)從外部看操作系統(tǒng) - 計(jì)算機(jī)用戶(hù)的觀點(diǎn)：用戶(hù)環(huán)境觀點(diǎn) - 應(yīng)用程序員的觀點(diǎn)：虛擬機(jī)器觀點(diǎn)從內(nèi)部看操作系統(tǒng) - OS開(kāi)發(fā)者觀點(diǎn)之一：資源管理觀點(diǎn) - OS開(kāi)發(fā)者觀點(diǎn)之二：作業(yè)組織觀點(diǎn)11關(guān)于現(xiàn)代

4、OS的四種基本觀點(diǎn)之一-用戶(hù)環(huán)境觀點(diǎn)該觀點(diǎn)認(rèn)為，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口，它為計(jì)算機(jī)用戶(hù)提供了方便的工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)用戶(hù)：終端用戶(hù)、程序員和系統(tǒng)設(shè)計(jì)者操作系統(tǒng)提供的接口 - 用戶(hù)接口（User Interface，也稱(chēng)為命令接口） - 程序接口（系統(tǒng)調(diào)用，也稱(chēng)為應(yīng)用編程接口, Application Programming Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)API） 12OS作為接口的示意圖用 戶(hù)應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用 命令 圖標(biāo)、窗口操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件13關(guān)于現(xiàn)代OS的四種基本觀點(diǎn)之二-虛擬機(jī)器觀點(diǎn)該觀點(diǎn)認(rèn)為，操作系統(tǒng)是建立在計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上的虛擬機(jī)器，它為應(yīng)用軟件提供了許多比計(jì)算機(jī)硬件功能

5、更強(qiáng)或計(jì)算機(jī)硬件所沒(méi)有的功能。操作系統(tǒng)在虛擬機(jī)中充當(dāng)管理員和協(xié)調(diào)員的角色,管理計(jì)算機(jī)的軟硬件資源,并協(xié)調(diào)多任務(wù)、多進(jìn)程的運(yùn)行。擴(kuò)充：功能、計(jì)算機(jī)數(shù)量14OS實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象用戶(hù)物理接口硬件機(jī)器指令物理接口硬件I/O軟件用戶(hù)I/O操作命令（Read,Write）虛機(jī)器I/O軟件隱藏了I/O操作實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)15關(guān)于現(xiàn)代OS的四種基本觀點(diǎn)之三-資源管理觀點(diǎn)該觀點(diǎn)認(rèn)為，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各類(lèi)資源的管理者，它負(fù)責(zé)分配、回收以及控制系統(tǒng)中的各種軟硬件資源。跟蹤資源的使用狀況、滿(mǎn)足資源請(qǐng)求、提高資源利用率,以及協(xié)調(diào)各程序和用戶(hù)對(duì)資源的使用沖突。 - 監(jiān)視資源 - 分配/回收資源 - 保護(hù)資源 16

6、關(guān)于現(xiàn)代OS的四種基本觀點(diǎn)之四-作業(yè)組織觀點(diǎn)該觀點(diǎn)認(rèn)為，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作流程的組織者，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)在系統(tǒng)中運(yùn)行的各個(gè)應(yīng)用軟件的運(yùn)行次序。用于巨型機(jī)和大型服務(wù)器上，以批文件方式提交作業(yè)，請(qǐng)求主機(jī)逐個(gè)運(yùn)行。主機(jī)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織、協(xié)調(diào)各個(gè)作業(yè)的運(yùn)行，報(bào)告執(zhí)行結(jié)果或錯(cuò)誤信息。減少了人工干預(yù)，提高了系統(tǒng)的效率。這種工作方式有利于有效利用造價(jià)高且性能強(qiáng)大的主機(jī)資源。17操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件,管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件資源,合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程,以便有效利用這些資源為用戶(hù)提供一個(gè)功能強(qiáng)、使用方便的工作環(huán)境,從而在計(jì)算機(jī)與用戶(hù)之間起到接口的作用。18目前流行的

7、操作系統(tǒng)DOSWindows 98/2000/XP/2003/windows 7/ Vista/windows 8 UNIX(多用戶(hù)多任務(wù)，分時(shí)操作系統(tǒng))Linux（開(kāi)放源碼，類(lèi)Unix OS）MVS（Multi-Video System街機(jī)用基板）VxWorks（風(fēng)河公司開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）SymbianAndroid iOS(手機(jī))Netware （網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）19三、操作系統(tǒng)的目標(biāo)方便性：編程，操作。有效性：提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量?？蓴U(kuò)充性：模塊化，易于升級(jí)。開(kāi)放性：標(biāo)準(zhǔn)化(OSI)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的移植和互操作。 方便性和有效性是設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)最重要的兩個(gè)目標(biāo)。20四、 推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)

8、展的動(dòng)力不斷提高計(jì)算機(jī)資源的利用率方便用戶(hù)器件的不斷更新?lián)Q代計(jì)算機(jī)硬件升級(jí)和新硬件的出現(xiàn)更正軟件錯(cuò)誤計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展單處理機(jī)系統(tǒng)、多處理機(jī)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)211.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程操作系統(tǒng)發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、應(yīng)用軟件的發(fā)展而發(fā)展的。22計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史第一代電子管計(jì)算機(jī) (1946-1957) 第二代晶體管計(jì)算機(jī) (1957-1964) 第三代集成電路計(jì)算機(jī) (1964-1972) 第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) (1972-現(xiàn)在) 23操作系統(tǒng)的發(fā)展史早期手工階段 1946-1957 （無(wú)操作系統(tǒng)）單道批處理 1958年前后 多道程序系統(tǒng) 1965年前后分時(shí)OS

9、1966年前后 實(shí)時(shí)OS 1968年前后 單用戶(hù)OS，網(wǎng)絡(luò)OS 20世紀(jì)80年代 分布式OS（多機(jī)OS）、嵌入式OS、智能OS 20世紀(jì)90年代 241.2.1 無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是由成千上萬(wàn)個(gè)電子管組成操作和編程完全由手工進(jìn)行,且編程只能用機(jī)器語(yǔ)言(二進(jìn)制代碼) 程序員同時(shí)也是操作員在上機(jī)期間獨(dú)占整臺(tái)計(jì)算機(jī)及其它相關(guān)設(shè)備，效率非常低251.2.1 無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人工操作方式（串行處理）用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)CPU等待人工操作261.2.1 無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人工操作方式用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)CPU等待人工操作 人工操作方式嚴(yán)重降低了計(jì)算機(jī)資源的利用率，此即所謂人機(jī)矛盾。輸入數(shù)

10、據(jù)271.2.1 無(wú)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)脫機(jī)輸入輸出方式減少了CPU的空閑時(shí)間提高I/O速度脫機(jī)I/O示意圖主機(jī)內(nèi)存磁盤(pán)磁盤(pán)外圍機(jī)外圍機(jī)磁盤(pán)輸入設(shè)備輸出設(shè)備28批處理程序(又稱(chēng)為監(jiān)督程序（Monitor），或管理程序),管理應(yīng)用程序的運(yùn)行。操作步驟：1.收集一批作業(yè)，通過(guò)脫機(jī)方式將作業(yè)逐個(gè)讀到磁帶上保存起來(lái)。2.批處理程序?qū)⒋艓系牡谝粋€(gè)作業(yè)讀入計(jì)算機(jī)，運(yùn)算結(jié)束后將結(jié)果輸出到輸出磁帶上。3.自動(dòng)讀入下一個(gè)作業(yè),并運(yùn)行。4.當(dāng)一批作業(yè)全部執(zhí)行結(jié)束后,取下輸入磁帶和輸出磁帶,用輸入磁帶錄入下一批作業(yè),將輸出磁帶送到專(zhuān)用輸出計(jì)算機(jī),進(jìn)行脫機(jī)打印。1.2.2 單道批處理系統(tǒng)29監(jiān)督程序作業(yè)輸出作業(yè)序列

11、作業(yè)一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)處理30單道批處理系統(tǒng)流程圖把下一個(gè)作業(yè)的源程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)程序源程序有錯(cuò)嗎？否裝 配目標(biāo)程序還有下一個(gè)作業(yè)？是否停止運(yùn) 行目標(biāo)程序是開(kāi)始31單道程序運(yùn)行情況 CPU 啟動(dòng)I/O I/O I/O完成 CPU I/O中斷請(qǐng)求結(jié)束中斷用戶(hù)程序監(jiān)督程序I/O操作321.2.2 單道批處理系統(tǒng)特征：自動(dòng)性順序性單道性缺點(diǎn)：監(jiān)督程序占用內(nèi)存監(jiān)督程序消耗了一部分機(jī)器時(shí)間331.2.3 多道批處理系統(tǒng)（現(xiàn)代意義的操作系統(tǒng)）引入： 單道批處理系統(tǒng)中，任意時(shí)刻只允許一道作業(yè)在內(nèi)存中運(yùn)行，資源利用率低。 為了提高系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，形成了多道批處理系統(tǒng) 。34多道批處理系統(tǒng)(Multip

12、rogrammed Batch Processing System)多道是指，允許多個(gè)程序同時(shí)存在于主存中，按照某種原則分派處理機(jī)，逐個(gè)執(zhí)行這些程序。 批處理：用戶(hù)提交的作業(yè)首先存放在外存，并排成一個(gè)隊(duì)列(后備隊(duì)列)。然后，由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法從該隊(duì)列中一次選取一個(gè)或若干個(gè)作業(yè)裝入內(nèi)存執(zhí)行。35處理機(jī)自動(dòng)切換當(dāng)某個(gè)程序占用處理機(jī)，執(zhí)行過(guò)程中遇到了輸入/輸出語(yǔ)句，可以啟動(dòng)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)輸入/輸出的系統(tǒng)服務(wù)程序完成輸入/輸出操作，處理機(jī)切換到另一個(gè)程序執(zhí)行。36多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)為了提高系統(tǒng)吞吐量和資源利用率，允許多個(gè)程序同時(shí)駐留內(nèi)存，使處理機(jī)在這些程序之間切換，在一段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行完多個(gè)程序的處理

13、技術(shù)稱(chēng)為多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)（multiprogramming）?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)大多都采用了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。37兩道程序的多道程序設(shè)計(jì)程序B 處理機(jī)(CPU)輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 輸入 結(jié)束請(qǐng)求打印 CPU空閑 請(qǐng)求輸入等待CPU 程序A程序B 程序A程序A 輸入程序B打印程序A其他I/O38OS中引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)帶來(lái)的好處提高CPU的利用率可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率增加系統(tǒng)吞吐量多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：宏觀上并行微觀上串行 前進(jìn)39在單道情況下完成程序A和程序B需要時(shí)間： 20+40+30+20+30+20+30=190CPU占用總時(shí)間：20+30+30+30=110CPU利用率：1101901

14、00%=58%程序A 運(yùn)行流程：20 40 30 20程序B運(yùn)行流程：30 20 30程序A程序B CPU 輸出設(shè)備 等待 CPU CPU 輸入設(shè)備 CPU 其他I/OCPU利用率（單道程序設(shè)計(jì)）40CPU利用率（多道程序設(shè)計(jì)）在多道情況下完成程序A和程序B需要時(shí)間：20+40+30 +30=120CPU占用總時(shí)間：20+30+30+30=110CPU利用率：110120100%=92%程序A 運(yùn)行流程：20 40 30 20程序B運(yùn)行流程：30 20 30程序A程序B CPU 輸出設(shè)備 等待 CPU CPU 輸入設(shè)備 CPU 其他I/O返回41單道和多道程序運(yùn)行情況 t1t2t3t4t5t6

15、t7t8結(jié)束中斷I/O 完成啟動(dòng) I/OI/O 中斷請(qǐng)求I/O 完成啟動(dòng) I/OI/O中斷請(qǐng)求用戶(hù)程序監(jiān)督程序I/O 操作(a) 單道程序運(yùn)行情況程序A程序A I/O 請(qǐng)求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 請(qǐng)求程序C程序C I/O 請(qǐng)求程序D程序D I/O 請(qǐng)求C I/O 完成C 再被調(diào)度程序B I/O 完成程序A再被調(diào)度程序A程序B程序C程序D調(diào)度程序(b) 四道程序運(yùn)行情況A完成結(jié)束中斷421.2.3 多道批處理系統(tǒng)特征多道性、無(wú)序性、調(diào)度性（作業(yè)調(diào)度，進(jìn)程調(diào)度）優(yōu)點(diǎn)資源利用率高；系統(tǒng)吞吐量大缺點(diǎn)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)；無(wú)交互能力43多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)引發(fā)的問(wèn)題 處理機(jī)的分配與回收 內(nèi)存的分

16、配與保護(hù) I/O設(shè)備的共享與效率 文件的有效管理 作業(yè)的組織 441.2.4 分時(shí)系統(tǒng)引入：多道批處理系統(tǒng)：提高了資源利用率和吞吐量。但是，批處理系統(tǒng)交互性很差。 為了改進(jìn)響應(yīng)時(shí)間和性能,提供交互式操作環(huán)境,導(dǎo)致了分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)。分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是，在多道程序技術(shù)的基礎(chǔ)之上,為多個(gè)用戶(hù)配置一個(gè)聯(lián)機(jī)終端 45分時(shí)系統(tǒng)圖示46分時(shí)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)系統(tǒng)服務(wù)器終端1終端2終端3終端n471.2.4 分時(shí)系統(tǒng)推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ怯脩?hù)的需求。用戶(hù)的需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 人機(jī)交互。 (2) 共享主機(jī)。 (3) 便于用戶(hù)上機(jī)。 當(dāng)今，通常使用專(zhuān)用的個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站來(lái)完成交互式計(jì)算任務(wù)，但

17、在20世紀(jì)60年代是行不通的，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生了分時(shí)系統(tǒng)。481.2.4 分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)：多個(gè)終端分享處理器時(shí)間的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)：把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源（尤其是CPU）進(jìn)行時(shí)間上的分割，每個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)時(shí)間片（time slice），每個(gè)用戶(hù)依次輪流使用時(shí)間片。49分時(shí)系統(tǒng)50多道批處理系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)比較項(xiàng)目多道批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)主要目標(biāo)充分使用處理器減小響應(yīng)時(shí)間操作系統(tǒng)指令源作業(yè)提供的作業(yè)控制語(yǔ)言命令從終端鍵入的命令51分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題(1) 及時(shí)接收：在系統(tǒng)中配置一個(gè)多路卡 (2) 及時(shí)處理（人機(jī)交互的關(guān)鍵）： 各個(gè)用戶(hù)的作業(yè)必須都在內(nèi)存中，且能頻繁的獲得CPU而運(yùn)行。52如何實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互首先，作

18、業(yè)應(yīng)直接進(jìn)入內(nèi)存。其次，每個(gè)用戶(hù)一次最長(zhǎng)占用一個(gè)時(shí)間片的CPU。在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能使所有的用戶(hù)都執(zhí)行一次，便可使每個(gè)用戶(hù)都能及時(shí)地與自己的作業(yè)交互，從而使用戶(hù)請(qǐng)求得到及時(shí)響應(yīng)。53分時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn)多路性（同時(shí)性）獨(dú)立性（獨(dú)占主機(jī)）及時(shí)性（短時(shí)間得到響應(yīng)）交互性（人機(jī)對(duì)話(huà)）541.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng)所謂“實(shí)時(shí)”，是表示“及時(shí)”，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-Time System)是指系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。 要求：響應(yīng)時(shí)間短，在一定范圍之內(nèi)系統(tǒng)可靠性高。551.2.5 實(shí)時(shí)系統(tǒng)1、應(yīng)用需求：實(shí)時(shí)控制 火炮的自動(dòng)控制系統(tǒng)、飛機(jī)

19、的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等實(shí)時(shí)信息處理 飛機(jī)或火車(chē)的訂票系統(tǒng)、情報(bào)檢索系統(tǒng)562、實(shí)時(shí)任務(wù)按實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)是否呈現(xiàn)周期性來(lái)劃分周期性實(shí)時(shí)系統(tǒng)非周期性實(shí)時(shí)系統(tǒng)截止時(shí)間(deadline)，開(kāi)始截止時(shí)間（最晚開(kāi)始時(shí)間）和完成截止時(shí)間（最晚完成時(shí)間）根據(jù)對(duì)截止時(shí)間的要求來(lái)劃分硬實(shí)時(shí)任務(wù)軟實(shí)時(shí)任務(wù)57實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)特征的比較多路性獨(dú)立性及時(shí)性交互性可靠性58操作系統(tǒng)的類(lèi)型操作系統(tǒng)的基本類(lèi)型批處理系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)目前的操作系統(tǒng)，通常同時(shí)具有分時(shí)、實(shí)時(shí)和批處理功能，又稱(chēng)作通用操作系統(tǒng)?？蛇m用于計(jì)算、事務(wù)處理等多種領(lǐng)域，能運(yùn)行在多種硬件平臺(tái)上，如 UNIX系統(tǒng)、Windows NT等。591.3 操作系統(tǒng)的基

20、本特征1.3.1 并發(fā)（Concurrence）1.3.2 共享（Sharing）1.3.3 虛擬（Virtual）1.3.4 異步（Asynchronism）601.3.1 并發(fā)（Concurrence）1.并行與并發(fā)并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行。但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻只能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序分時(shí)交替執(zhí)行。在多處理機(jī)系統(tǒng)中，才能并行執(zhí)行。并發(fā)性是OS最重要的特征，是其他三個(gè)特征的前提。611.3.1 并發(fā)（Concurrence）2.引入進(jìn)程程序是靜態(tài)

21、實(shí)體，不能并發(fā)執(zhí)行。進(jìn)程（或稱(chēng)作任務(wù)）是動(dòng)態(tài)實(shí)體，并發(fā)指的是進(jìn)程。進(jìn)程是指在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機(jī)器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成的。多個(gè)進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息。要想使多個(gè)程序能夠并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須為每個(gè)程序建立進(jìn)程。線(xiàn)程是比進(jìn)程更小的單位。621.3.2 共享（Sharing）共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程（線(xiàn)程）共同使用?；コ夤蚕矸绞劫Y源分配后到釋放前，不能被其他進(jìn)程所用。這樣的資源稱(chēng)為臨界資源或獨(dú)占資源。如：打印機(jī)同時(shí)訪問(wèn)方式如：磁盤(pán)、重入碼編寫(xiě)的文件并發(fā)和共享是OS的兩個(gè)最基本的特征，他們又互為存在的條件。631.3.3 虛擬（Virt

22、ual）虛擬是指通過(guò)某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)際存在的，而后者是虛的，是用戶(hù)感覺(jué)上的東西。用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱(chēng)為虛擬技術(shù)。時(shí)分復(fù)用技術(shù)：虛擬處理機(jī)，虛擬設(shè)備空分復(fù)用技術(shù)：虛擬磁盤(pán)，虛擬存儲(chǔ)器641.3.4 異步（Asynchronism）異步性（不確定性）是由共享和并發(fā)引起的。在操作系統(tǒng)中可運(yùn)行多道用戶(hù)程序，每個(gè)用戶(hù)程序的運(yùn)行時(shí)間、要使用哪些系統(tǒng)資源、使用多長(zhǎng)時(shí)間、使用的資源是共享還是獨(dú)占的，操作系統(tǒng)在程序運(yùn)行前是不知道的。從用戶(hù)運(yùn)行程序的要求的角度看，操作系統(tǒng)必須是確定的，即用戶(hù)給定一個(gè)程序和相應(yīng)的初始數(shù)據(jù)，無(wú)論在什么時(shí)候，在什么計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行，產(chǎn)生的結(jié)

23、果都應(yīng)是相同的。因此操作系統(tǒng)中需配置同步機(jī)制。651.4. 操作系統(tǒng)的主要功能1.4.1 處理機(jī)管理1.4.2 存儲(chǔ)器管理1.4.3 設(shè)備管理1.4.4 文件管理1.4.5 用戶(hù)接口661.4.1 處理機(jī)管理進(jìn)程控制進(jìn)程同步進(jìn)程通訊調(diào)度（作業(yè)調(diào)度，進(jìn)程調(diào)度）671.4.2 存儲(chǔ)器管理內(nèi)存分配內(nèi)存保護(hù)地址映射內(nèi)存擴(kuò)充681.4.3 設(shè)備管理緩沖管理設(shè)備分配設(shè)備處理691.4.4 文件管理文件存儲(chǔ)空間的管理目錄管理文件的讀寫(xiě)管理和保護(hù)701.4.5 用戶(hù)接口命令接口程序接口圖形接口711.5 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.5.1 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.5.2 客戶(hù)/服務(wù)器模式1.5.3 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)

24、1.5.4 微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)721.5.1 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)2、模塊化結(jié)構(gòu)OS3、分層式結(jié)構(gòu)OS731、 無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)早期開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)，只是一組程序的集合，系統(tǒng)即復(fù)雜又龐大，缺乏清晰的程序結(jié)構(gòu)，錯(cuò)誤多、難以維護(hù)。設(shè)計(jì)重點(diǎn)：功能的實(shí)現(xiàn)和高效率742、 模塊化OS結(jié)構(gòu)將OS按其功能劃分為若干具有一定獨(dú)立性的模塊，并規(guī)定好各模塊間的接口，使各模塊之間能夠通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)交互。操作系統(tǒng)進(jìn)程管理存儲(chǔ)器管理文件管理進(jìn)程控制進(jìn)程調(diào)度內(nèi)存分配內(nèi)存保護(hù)模塊子模塊.752、 模塊化OS結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)： 提高了設(shè)計(jì)的正確性、可維護(hù)性； 增強(qiáng)了OS的可適應(yīng)性； 加速了OS的開(kāi)發(fā)過(guò)程；缺點(diǎn)： 對(duì)模塊的劃分

25、不精確，易存在錯(cuò)誤； 未將資源加以區(qū)別； 模塊間存在著復(fù)雜的依賴(lài)關(guān)系，使OS結(jié)構(gòu)不清； 設(shè)計(jì)過(guò)程無(wú)序。763、分層式OS結(jié)構(gòu)各層模塊間只能是單向調(diào)用關(guān)系用戶(hù)接口（命令、程序、圖形）對(duì)對(duì)象操縱和管理的軟件(處理機(jī)管理軟件、存儲(chǔ)器管理軟件、設(shè)備管理軟件、文件管理軟件)操縱對(duì)象（ CPU、RAM、I/O、Files ）用戶(hù)程序系統(tǒng)服務(wù)文件系統(tǒng)內(nèi)存和I/O設(shè)備管理處理機(jī)管理硬件用戶(hù)態(tài)核心態(tài)常用操作系統(tǒng)的層次模型773、分層式OS結(jié)構(gòu)從資源管理觀點(diǎn)出發(fā)，劃分層次。在某一層次上代碼只能調(diào)用低層次上的代碼，使模塊間的調(diào)用變?yōu)橛行蛐?。系統(tǒng)每加一層，就構(gòu)成一個(gè)比原來(lái)功能更強(qiáng)的虛擬機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：易保證系統(tǒng)的正確性易擴(kuò)

26、充和易維護(hù)性缺點(diǎn)：系統(tǒng)效率降低了（通信）781.5.2 客戶(hù)/服務(wù)器模式（C/S）1、客戶(hù)/服務(wù)器模式的組成客戶(hù)機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供服務(wù)服務(wù)器791.5.2 客戶(hù)/服務(wù)器模式（C/S）2、客戶(hù)/服務(wù)器之間的交互客戶(hù)發(fā)送請(qǐng)求消息服務(wù)器接收消息服務(wù)器回送消息客戶(hù)機(jī)接收消息801.5.2 客戶(hù)/服務(wù)器模式（C/S）優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)的分布處理和存儲(chǔ)便于集中管理靈活性和可擴(kuò)充性易于改編應(yīng)用軟件不足之處：不可靠性瓶頸811.5.3 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本概念對(duì)象對(duì)象類(lèi)繼承面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)“重用”提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率使系統(tǒng)具有更好的易修改性和易擴(kuò)展性更易于保證系統(tǒng)的“正確性”和“可靠性”821.5.

27、4 微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)當(dāng)前流行的OS都采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。采用基于客戶(hù)/服務(wù)器模式。將操作系統(tǒng)劃分為：微內(nèi)核和多個(gè)服務(wù)器。831.5.4 微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)足夠小的內(nèi)核微內(nèi)核技術(shù)是指精心設(shè)計(jì)的，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代OS最基本的核心功能的部分。微內(nèi)核并非是一個(gè)完整的OS，而只是為構(gòu)建通用OS提供一個(gè)重要基礎(chǔ)。微內(nèi)核不僅運(yùn)行在核心態(tài)，而且開(kāi)機(jī)后常駐內(nèi)存，它不會(huì)因?yàn)閮?nèi)存緊張而被換出內(nèi)存。84基于C/S模式的微內(nèi)核OS裸機(jī)（硬件）微內(nèi)核客 戶(hù)進(jìn) 程客 戶(hù)進(jìn) 程進(jìn)程服務(wù)器存儲(chǔ)器服務(wù)器文件服務(wù)器請(qǐng)求應(yīng)答核心態(tài)用戶(hù)態(tài)851.5.4 微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)微內(nèi)核的基本功能進(jìn)程（線(xiàn)程）管理存儲(chǔ)器管理中斷和陷入處理861.5.4 微內(nèi)核OS

28、結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性?？梢浦残浴Ｌ峁┝藢?duì)分布式系統(tǒng)的支持缺點(diǎn)運(yùn)行效率有所降低。87本章總結(jié)操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源操作系統(tǒng)的類(lèi)型多道程序設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)截至?xí)r間（開(kāi)始截至?xí)r間；完成截至?xí)r間）操作系統(tǒng)的基本特征（并行性、并發(fā)性）操作系統(tǒng)的主要功能操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)88基本概念系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的總工作量。 周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始，直至其完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是指用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)提交一個(gè)請(qǐng)求開(kāi)始，直至系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)為止的時(shí)間，或者說(shuō)，直到屏幕上顯示出結(jié)果為止的一段時(shí)間間隔。返回89基本概念：脫機(jī)、聯(lián)機(jī)I/O脫機(jī)

29、I/O：程序和數(shù)據(jù)的輸入和輸出都是在外圍機(jī)的控制下完成的，或者說(shuō)，它們是在脫離主機(jī)的情況下進(jìn)行的。聯(lián)機(jī)I/O：在主機(jī)直接控制下進(jìn)行輸入和輸出的方式。返回90基本概念：可重入代碼可重入代碼(Reentry code)也叫純代碼(Pure code)是一種允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)的代碼。為了使各進(jìn)程所執(zhí)行的代碼完全相同，故不允許任何進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修改。程序在運(yùn)行過(guò)程中可以被打斷，并由開(kāi)始處再次執(zhí)行，并且在合理的范圍內(nèi)(多次重入，而不造成堆棧溢出等其他問(wèn)題)，程序可以在被打斷處繼續(xù)執(zhí)行，且執(zhí)行結(jié)果不受影響。91例：可重入代碼指可被多個(gè)函數(shù)或程序凋用的一段代碼(通常是一個(gè)函數(shù)),而且它保證在被任何一個(gè)函數(shù)調(diào)

30、用時(shí)都以同樣的方式運(yùn)行如: void test() int i; i=2; printf(%dn,i ); i+; printf(%dn,i); 無(wú)論誰(shuí)調(diào)用它結(jié)果都一樣,得到 2 3但 void test() static int i=2; printf(%dn,i ); i+; prinft(%dn,i); 就不一樣了,對(duì)不同的調(diào)用結(jié)果不一樣: 返回92基本概念：多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) 指，系統(tǒng)中允許多道程序同時(shí)準(zhǔn)備運(yùn)行，當(dāng)正在運(yùn)行的那道程序因?yàn)槟撤N原因（比如等待輸入或輸出數(shù)據(jù)）暫時(shí)不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地啟動(dòng)另一道程序運(yùn)行；一旦原因消除（比如數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)或數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出完畢），暫時(shí)停止運(yùn)行的那道程序在將來(lái)某個(gè)時(shí)候還可以被系統(tǒng)重新啟動(dòng)繼續(xù)運(yùn)行。 93基本概念：多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題：協(xié)調(diào)因爭(zhēng)奪處理機(jī)或者輸入/輸出設(shè)備而產(chǎn)生的沖突,解決同步、互斥和死鎖