操作系統(tǒng)原理第一章緒論

第一章緒論

一、操作系統(tǒng)OS的定義（OpertatingSystem）OS是一個(gè)大型的系統(tǒng)軟件，它負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的全部軟件和硬件資源的管理，并為用戶提供良好的應(yīng)用界面，使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率和高度自動(dòng)化。二、操作系統(tǒng)的形成

手工操作階段批處理系統(tǒng)（BatchProcessingSystem）分時(shí)技術(shù)與分時(shí)操作系統(tǒng)

2、批處理系統(tǒng)（BatchProcessingSystem）

一系列作業(yè)的序列，稱之為批（Batch）作業(yè)（job）是將命令、程序和數(shù)據(jù)按預(yù)先確定的次序結(jié)合在一起，并可以提交給系統(tǒng)的一個(gè)組織單位。例：批處理文件

1）單道批處理系統(tǒng)

一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到存儲(chǔ)介質(zhì)上（磁帶、磁盤），系統(tǒng)能對這批作業(yè)一個(gè)接一個(gè)連續(xù)自動(dòng)處理，因在內(nèi)存上只保持一道作業(yè)，故稱單道批處理系統(tǒng)。例：某系統(tǒng)有一臺(tái)輸入設(shè)備，一臺(tái)輸出設(shè)備JobA:計(jì)算50ms，輸入100ms，計(jì)算50ms，輸出100ms；JobB:計(jì)算100ms，輸出50ms，計(jì)算50ms，輸出100ms。（假設(shè)jobA先執(zhí)行）單道批處理的過程如下：CPUAABBB輸入設(shè)備AA輸出設(shè)備AABBB時(shí)間050100150200250300350400450500550600JobB的響應(yīng)時(shí)間=等待時(shí)間+執(zhí)行時(shí)間=300+300=600ms。其中50～150ms，200～300ms等處CPU處于空閑狀態(tài)。2）多道批處理系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序，它們在管理程序控制下，相互交替執(zhí)行。當(dāng)某道作業(yè)因某種原因不需要CPU時(shí)，管理程序?qū)⒘硪坏雷鳂I(yè)投入運(yùn)行，這樣使CPU和各種設(shè)備處于忙綠狀態(tài)，從而大大提高了計(jì)算機(jī)的使用效率。例：某系統(tǒng)有一臺(tái)輸入設(shè)備，一臺(tái)輸出設(shè)備JobA:計(jì)算50ms，輸入100ms，計(jì)算50ms，輸出100ms；JobB:計(jì)算100ms，輸出50ms，計(jì)算50ms，輸出100ms。（假設(shè)jobA先執(zhí)行）多道批處理的過程如下：CPUABBAB

輸入設(shè)備AA輸出設(shè)備BAABB

時(shí)間050100150200250300350400450500550600JobB的響應(yīng)時(shí)間=等待時(shí)間+執(zhí)行時(shí)間=50+350=400ms特點(diǎn)：①多道②宏觀上并行③微觀上串行（單處理機(jī)的情況）優(yōu)點(diǎn)：①資源利用率高②系統(tǒng)的吞吐量大缺點(diǎn)：①有時(shí)用戶的響應(yīng)時(shí)間較長②交互性不好JobB等待輸出3.分時(shí)技術(shù)與分時(shí)操作系統(tǒng)

把CPU時(shí)間劃分成很短的時(shí)間片（如幾百毫秒），輪流分配給各個(gè)聯(lián)機(jī)作業(yè)使用，如果某個(gè)作業(yè)在分配的時(shí)間片用完之前計(jì)算還未完成，該作業(yè)就暫時(shí)中止，等待下一輪繼續(xù)計(jì)算，此時(shí)CPU讓給另一個(gè)作業(yè)使用，這樣，每個(gè)用戶由虛擬機(jī)公平地提供處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和內(nèi)存資源。特點(diǎn)：①用戶有較快的響應(yīng)時(shí)間②交互性好三、操作系統(tǒng)的基本類型

批處理操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real_timeoperatingsystem）

基于多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)形成了批處理操作系統(tǒng)和分時(shí)操作系統(tǒng)，但它們存在一些不同點(diǎn)：

（1）追求的目標(biāo)不同批處理系統(tǒng)：提高系統(tǒng)資源利用率和作業(yè)的吞吐能力為目標(biāo)分時(shí)系統(tǒng)：強(qiáng)調(diào)公平性，對于聯(lián)機(jī)用戶的立即型命令要快速響應(yīng)（如3s）。（2）適應(yīng)作業(yè)不同批處理系統(tǒng)：已調(diào)試好的大型作業(yè)分時(shí)系統(tǒng)：正在調(diào)試的小型作業(yè)

基于多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)形成了批處理操作系統(tǒng)和分時(shí)操作系統(tǒng)，但它們存在一些不同點(diǎn)：

（3）資源利用率不同批處理系統(tǒng)可以合理安排不同負(fù)載的作業(yè)，使資源利用率達(dá)到最佳。作業(yè)可分為：以計(jì)算為主；以I/O為主；計(jì)算與I/O均衡。（4）作業(yè)控制方式不同批處理：用戶通過JCB書寫作業(yè)控制流，預(yù)先提交，脫機(jī)工作。分時(shí)：作業(yè)由用戶從鍵盤輸入控制命令，一交互方式聯(lián)機(jī)工作。

3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real_timeoperatingsystem）

對外部輸入的信息，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（deadline）處理完畢并作出反應(yīng)。1）按使用方式可以分為：實(shí)時(shí)控制：如工業(yè)控制自動(dòng)化、制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理：如訂票系統(tǒng)2）基本特征：及時(shí)性和高可靠性

四、操作系統(tǒng)的功能

處理機(jī)管理：為了提高處理機(jī)的效率，OS對處理機(jī)的管理采用多級調(diào)度。

分別是：作業(yè)調(diào)度（第6章）進(jìn)程調(diào)度（第4章，第6章）線程調(diào)度（第6章）

四、操作系統(tǒng)的功能

2.存儲(chǔ)器管理：

提出了四種存儲(chǔ)管理方式：

分區(qū)存儲(chǔ)管理、

頁式存儲(chǔ)管理、

段式存儲(chǔ)管理、

段頁式存儲(chǔ)管理，

涉及內(nèi)存的分配與回收，虛實(shí)地址的映射，存儲(chǔ)保護(hù)，存儲(chǔ)器“擴(kuò)充”（第7章）

四、操作系統(tǒng)的功能

3.設(shè)備管理：1）設(shè)備無關(guān)性：程序中只使用設(shè)備的邏輯名，屏蔽設(shè)備的物理特性，方便用戶使用。2）設(shè)備的分配：獨(dú)占型設(shè)備、共享型設(shè)備、虛擬設(shè)備、靜態(tài)分配、動(dòng)態(tài)分配等3）設(shè)備傳輸?shù)目刂品绞剑撼绦虿樵兎绞?、中斷方式、DMA方式、通道方式等4）其它：如緩沖技術(shù)、SPOOL技術(shù)等（第8章）

四、操作系統(tǒng)的功能

4.文件管理：（第9章）1）文件的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)2）磁盤空間的管理3）目錄管理4）文件操作5）文件的安全與保護(hù)

四、操作系統(tǒng)的功能

5.用戶接口：（第3章）1）命令接口：①命令行界面②圖形用戶界面2）程序接口：如Linux或UNIX提供的系統(tǒng)調(diào)用、Windows提供的WinAPI函數(shù)（約2000多個(gè)）6.網(wǎng)絡(luò)與通信管理（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程）

五、操作系統(tǒng)的特征

1.并發(fā)性：指多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生，如：I/O操作與CPU處理重疊2.共享性：資源共享的兩種方式空分復(fù)用（spare_multiplexedsharing）:如內(nèi)存中的多道程序、磁盤上的多個(gè)文件等時(shí)分復(fù)用（time_multiplexedsharing）：如分時(shí)系統(tǒng)中的CPU

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最為基本的特征，它們互為存在條件：一方面，若系統(tǒng)不允許并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享的問題；另一方面，若不能對資源共享實(shí)施有效的管理，也將影響到并發(fā)執(zhí)行。3.不確定性（異步性）只要運(yùn)行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運(yùn)行，都將獲得相同的結(jié)果。4.虛擬性如虛擬機(jī)、虛擬內(nèi)存、虛擬設(shè)備六、流行操作系統(tǒng)簡介

UNIX系統(tǒng)Windows系統(tǒng)Linux系統(tǒng)1.UNIX系統(tǒng)簡介

1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLabs）加入一項(xiàng)由通用電氣（GeneralElectric）和麻省理工學(xué)院（MIT）合作的計(jì)劃；該計(jì)劃要建立一套多使用者、多任務(wù)、多層次（multi－user、multi－processor、multi－level）的MULTICS（MultiplexedInformationandComputingService）操作系統(tǒng)。直到1969年，因MULTICS計(jì)劃的工作進(jìn)度太慢，該計(jì)劃被停了下來（軟件危機(jī)）。1.UNIX系統(tǒng)簡介

在1970年時(shí)，KenThompson和DernisRitchie申請到了一臺(tái)PDP-11/24的機(jī)器。于是Unix第一版出來了。在一臺(tái)PDP-11/24的機(jī)器上完成。這臺(tái)電腦只有24KB的物理內(nèi)存和500KB磁盤空間。Unix占用了12KB的內(nèi)存，剩下的一半內(nèi)存可以支持兩用戶進(jìn)行SpaceTravel的游戲。（開發(fā)的最初動(dòng)機(jī)是方便玩游戲）1.UNIX系統(tǒng)簡介

到了1973年的時(shí)候，KenThompson與DennisRitchie感到用匯編語言做移植太過于頭痛，KenThompson與DennisRitchie成功地開發(fā)出C語言，并用C語言重寫了Unix的第三版內(nèi)核。至此，Unix這個(gè)操作系統(tǒng)修改、移植相當(dāng)便利，為Unix日后的普及打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而Unix和C完美地結(jié)合成為一個(gè)統(tǒng)一體，C與Unix很快成為世界的主導(dǎo)。1.UNIX系統(tǒng)簡介

1974年7月，KenThompson和DennisRitchie在ACM發(fā)表了Unix的第一篇文章“TheUNIXTimeSharingSystem”。這是UNIX與外界的首次接觸。結(jié)果引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣并對其源碼索取，所以，Unix第五版提供給各大學(xué)作為教學(xué)之用，成為當(dāng)時(shí)操作系統(tǒng)課程中的范例教材。各大學(xué)公司開始通過Unix源碼對Unix進(jìn)行了各種各樣的改進(jìn)和擴(kuò)展。于是，Unix開始廣泛流行。1.UNIX系統(tǒng)簡介

AT&T公司開始注意到Unix所帶來的商業(yè)價(jià)值。公司的律師開始尋找一些手段來保護(hù)Unix，并讓其成為一種商業(yè)機(jī)密。從1979年Unix的版本V7開始，Unix的許可證開始禁止大學(xué)使用Unix的源碼，包括在授課中學(xué)習(xí)。UNIX操作系統(tǒng)是商業(yè)版

，需要收費(fèi)，價(jià)格比MicrosoftWindows正版要貴一些。

UNIX特性

UNIX系統(tǒng)是一個(gè)多用戶，多任務(wù)的分時(shí)操作系統(tǒng)。UNIX的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三部分：操作系統(tǒng)內(nèi)核（是UNIX系統(tǒng)核心管理和控制中心，在系統(tǒng)啟動(dòng)或常駐內(nèi)存），系統(tǒng)調(diào)用（供程序開發(fā)者開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)調(diào)用系統(tǒng)組件，包括進(jìn)程管理，文件管理，設(shè)備狀態(tài)等），應(yīng)用程序（包括各種開發(fā)工具，編譯器，網(wǎng)絡(luò)通訊處理程序等，所有應(yīng)用程序都在Shell的管理和控制下為用戶服務(wù)）。UNIX系統(tǒng)大部分是由C語言編寫的，這使得系統(tǒng)易讀，易修改，易移植。UNIX提供了豐富的，精心挑選的系統(tǒng)調(diào)用，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)十分緊湊，簡潔。UNIX提供了功能強(qiáng)大的可編程的Shell語言（外殼語言）作為用戶界面具有簡潔，高效的特點(diǎn)。UNIX系統(tǒng)采用樹狀目錄結(jié)構(gòu)，具有良好的安全性，保密性和可維護(hù)性。UNIX系統(tǒng)采用進(jìn)程對換（Swapping）的內(nèi)存管理機(jī)制和請求調(diào)頁的存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)了虛擬內(nèi)存管理，大大提高了內(nèi)存的使用效率。UNIX系統(tǒng)提供多種通信機(jī)制，如：管道通信，軟中斷通信，消息通信，共享存儲(chǔ)器通信，信號(hào)燈通信。2.Linux系統(tǒng)簡介

1991年初，LinusTorvalds開始在一臺(tái)386sx兼容微機(jī)上學(xué)習(xí)minix操作系統(tǒng)。1991年4月，林納斯·托瓦茲開始醞釀并著手編制自己的操作系統(tǒng)。1991年的10月5日，林納斯·托瓦茲在comp.os.minix新聞組上發(fā)布消息，正式向外宣布Linux內(nèi)核的誕生。2.Linux系統(tǒng)簡介

Linux是一款類UNIX的免費(fèi)的操作系統(tǒng)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)或其他途徑免費(fèi)獲得，并可以任意修改其源代碼。這是其他的操作系統(tǒng)所做不到的。正是由于這一點(diǎn)，來自全世界的無數(shù)程序員參與了Linux的修改、編寫工作，程序員可以根據(jù)自己的興趣和靈感對其進(jìn)行改變，這讓Linux吸收了無數(shù)程序員的精華，不斷壯大。2.Linux系統(tǒng)簡介

主要產(chǎn)品有：RedHat（小紅帽）UbuntuUbuntuKylin（中文又被稱為優(yōu)麒麟）是基于Ubuntu的一款官方衍生版。它是一款專門為中國市場打造的免費(fèi)操作系統(tǒng)。（太湖之光超級計(jì)算機(jī)采用）紅旗linux3.Windows系統(tǒng)簡介

Microsoft的早期操作系統(tǒng)是1979年由為IBM個(gè)人電腦開發(fā)的MS-DOS,它是一個(gè)單用戶單任務(wù)的操作系統(tǒng)。Windows采用了圖形化模式GUI，比起從前的MS-DOS需要鍵入指令使用的方式更為人性化。隨著電腦硬件和軟件的不斷升級，微軟的Windows也在不斷升級，從架構(gòu)的16位、32位再到64位，系統(tǒng)版本從最初的1985年最初的Windows1.0

到大家熟知的Windows95、Windows98、WindowsME、Windows2000、Windows2003、WindowsXP、WindowsVista、Windows7、Windows8、Windows8.1、Windows10和

WindowsServer服務(wù)器企業(yè)級操作系統(tǒng)，不斷持續(xù)更新，微軟一直在致力于Windows操作系統(tǒng)的開發(fā)和完善。慢慢的成為家家戶戶人們最喜愛的操作系統(tǒng)。billgates曾經(jīng)在中國發(fā)表過一個(gè)著名論斷，就是“現(xiàn)在讓你們盜，總有一天你們是要付錢的，重要的是要盜我們的軟件”。安裝虛擬機(jī)和linux系統(tǒng)

在單CPU和兩臺(tái)I/O設(shè)備I1，I2的多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境下，同時(shí)投入三個(gè)作業(yè)job1,job2,job3運(yùn)行。這三個(gè)作業(yè)對CPU和I/O設(shè)備的使用順序和時(shí)間如下：Job1:I2(30ms);CPU(10ms);I1(30ms);CPU(10ms);I2(20ms);Job2:I1(20ms);CPU(20ms);I2(40m