重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第六章課件

第6章操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介Dr.機(jī)的啟動(dòng)認(rèn)識(shí)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源管理操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序提供較安全可靠的服務(wù)操作系統(tǒng)對(duì)多運(yùn)行環(huán)境的管理統(tǒng)2023/7/261第1節(jié)計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)2023/7/26Dr.沙行勉2啟動(dòng)自檢階段初始化啟動(dòng)階段啟動(dòng)加載階段內(nèi)核裝載階段登錄階段計(jì)算機(jī)啟動(dòng)流程2023/7/26Dr.沙行勉3不論是臺(tái)式機(jī)、筆記本、手機(jī)，所有設(shè)備在開機(jī)啟動(dòng)過程中都會(huì)包括三個(gè)共同的階段：?jiǎn)?dòng)自檢階段、初始化啟動(dòng)階段、啟動(dòng)加載階段。這三個(gè)階段主要由BIOS（BasicInputOutputSystem）來完成的。BIOS是一組程序，包括基本輸入輸出程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開機(jī)后自檢程序和系統(tǒng)自啟動(dòng)程序。1.1啟動(dòng)自檢階段2023/7/26Dr.沙行勉4加電自檢的功能是檢查電腦整體狀態(tài)是否良好。通常完整的POST自檢過程包括對(duì)CPU、ROM、主板、串并口、顯示卡及鍵盤進(jìn)行測(cè)試。一旦在自檢中發(fā)現(xiàn)問題，系統(tǒng)將給出提示信息或鳴笛警告。按一下電源按鈕，計(jì)算機(jī)就進(jìn)入啟動(dòng)自檢階段。如右圖。電腦剛接通電源，將讀取BIOS程序，并對(duì)硬件進(jìn)行檢測(cè)。這個(gè)檢測(cè)過程也叫做加電自檢（PowerOnSelfTest，簡(jiǎn)稱POST）。1.2初始化啟動(dòng)階段2023/7/26Dr.沙行勉5啟動(dòng)自檢階段結(jié)束之后，若自檢結(jié)果無異常，接下來計(jì)算機(jī)就進(jìn)入初始化啟動(dòng)階段。根據(jù)BIOS設(shè)定的啟動(dòng)順序，找到優(yōu)先啟動(dòng)的設(shè)備，比如本地磁盤，CDDriver，USB設(shè)備等等。然后準(zhǔn)備從這些設(shè)備啟動(dòng)系統(tǒng)。初始化啟動(dòng)階段還包括設(shè)置寄存器、對(duì)一些外部設(shè)備進(jìn)行初始化和檢測(cè)等。1.3啟動(dòng)加載階段2023/7/26Dr.沙行勉6初始化階段完成之后，接下來將讀取準(zhǔn)備啟動(dòng)的設(shè)備所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)大多存放在硬盤中，所以BIOS會(huì)指定啟動(dòng)的設(shè)備來讀取硬盤中的操作系統(tǒng)核心文件。由于不同的操作系統(tǒng)具有不同的文件系統(tǒng)格式（如FAT32，NTFS，EXT4等等），因此需要一個(gè)啟動(dòng)管理程序來處理核心文件的加載，這個(gè)啟動(dòng)管理程序就被稱為BootLoader。BootLoader的作用主要有兩方面：首先，提供菜單讓用戶選擇不同的啟動(dòng)項(xiàng)目，通過不同的啟動(dòng)項(xiàng)目開啟計(jì)算機(jī)的不同系統(tǒng)。其次，能加載核心（Kernel）文件，直接指向可啟動(dòng)的程序區(qū)段來啟動(dòng)操作系統(tǒng)。1.4內(nèi)核裝載階段2023/7/26Dr.沙行勉7操作系統(tǒng)利用內(nèi)核程序，開始測(cè)試并驅(qū)動(dòng)各個(gè)外圍設(shè)備，包括存儲(chǔ)裝置、CPU、網(wǎng)卡、聲卡等等。在這個(gè)階段，有的操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)硬件進(jìn)行重新檢測(cè)。在操作系統(tǒng)開始使用內(nèi)核程序測(cè)試和驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備時(shí)，操作系統(tǒng)的核心才接管了BIOS的工作。1.5登錄階段2023/7/26Dr.沙行勉8登錄階段，計(jì)算機(jī)主要完成以下兩項(xiàng)任務(wù)：?jiǎn)?dòng)機(jī)器上安裝的所有需要自動(dòng)啟動(dòng)的Windows服務(wù)顯示登錄界面練習(xí)題2023/7/26Dr.沙行勉9在安裝Windows系統(tǒng)的個(gè)人電腦中，將希望開機(jī)運(yùn)行的程序設(shè)置為開機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。要如何設(shè)置？假設(shè)你有多個(gè)操作系統(tǒng)，如何使PC從指定windows7啟動(dòng)？BIOS的程序存放在ROM中，請(qǐng)思考Andriod手機(jī)中的ROM與BIOS的ROM有何區(qū)別？PC機(jī)刷BIOS與Andriod手機(jī)刷機(jī)、刷ROM有何區(qū)別？提示：手機(jī)Android的ROM，是整個(gè)操作系統(tǒng)和一些常用的程序。第2節(jié)認(rèn)識(shí)操作系統(tǒng)2023/7/26Dr.沙行勉10什么是操作系統(tǒng)？中斷什么是操作系統(tǒng)2023/7/26Dr.沙行勉11操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)資源，是軟件與硬件的中間接口。操作系統(tǒng)也是世界上最懶的管理者，因?yàn)樗鼰o時(shí)無刻不在“睡覺”。操作系統(tǒng)的常態(tài)是睡覺，它不會(huì)主動(dòng)做任何事的。它是被“中斷”后才起來做服務(wù)的，做完后又睡覺了。叫醒操作系統(tǒng)的方式叫做“中斷”。中斷的來源有三。有從硬件來的要求中斷，有從軟件來的要求中斷，也有運(yùn)行時(shí)碰到異常時(shí)來的要求中斷。操作系統(tǒng)不是神，它的執(zhí)行也需要CPU。它不過是一個(gè)復(fù)雜的軟件罷了（現(xiàn)在的Linux是個(gè)百萬行的程序），操作系統(tǒng)被叫醒后也需要CPU才能執(zhí)行。2.1中斷2023/7/26Dr.沙行勉12每當(dāng)需要操作系統(tǒng)處理事務(wù)時(shí)，沉睡中的操作系統(tǒng)將會(huì)被喚醒，完成相應(yīng)事務(wù)的處理。喚醒操作系統(tǒng)的行為叫做“中斷”，你可以認(rèn)為是“中斷”操作系統(tǒng)的睡眠。比如用戶在從鍵盤按下“A”時(shí)，鍵盤會(huì)發(fā)出中斷信號(hào)去叫醒操作系統(tǒng)，告訴他：“嘿，鍵盤的A按鍵已經(jīng)按下去了，你處理一下吧”，這時(shí)，操作系統(tǒng)醒來處理這個(gè)事件。又如用戶程序在執(zhí)行的過程中，需要讀寫文件，程序會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，叫醒操作系統(tǒng)去處理讀寫文件事務(wù)。另外，如果程序在運(yùn)行中出現(xiàn)了除以0等非正常事件，沉睡中的操作系統(tǒng)也會(huì)被喚醒，并處理相應(yīng)的異常事件。2.1中斷——中斷類型2023/7/26Dr.沙行勉13從鍵盤、文件，以及除以0等非正常事件發(fā)出的中斷分別對(duì)應(yīng)三種中斷類型，分別為：硬件中斷，軟件中斷以及異常。硬件中斷（HardwareInterrupt），顧名思義是由硬件發(fā)出的中斷，包括I/O設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求、時(shí)鐘中斷等等。軟件中斷（SoftwareInterrupt），指由應(yīng)用程序觸發(fā)的中斷，就是正在執(zhí)行的軟件需要操作系統(tǒng)提出服務(wù)。軟件中斷主要包括各種系統(tǒng)調(diào)用（systemcalls），為應(yīng)用程序提供不同的服務(wù)。異常（Exception），這類中斷是指當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一些非正常事務(wù)，需要操作系統(tǒng)進(jìn)行處理。例如用戶程序讀寫一個(gè)地址，而這地址被保護(hù)起來，是不能被用戶程序讀寫的，這也會(huì)發(fā)生異常中斷。但是，異常并不全是錯(cuò)誤。第3節(jié)操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源管理2023/7/26Dr.沙行勉14操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理 ——硬件中斷操作系統(tǒng)對(duì)CPU的管理 ——硬件中斷操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理 ——“異?！钡膽?yīng)用引言2023/7/26Dr.沙行勉15操作系統(tǒng)要管理的硬件資源最主要包括：各種各樣的I/O設(shè)備，計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。鍵盤，顯示器，U盤等這些常用的設(shè)備均為I/O設(shè)備，操作系統(tǒng)需要統(tǒng)一對(duì)這些硬件進(jìn)行管理。計(jì)算資源主要指CPU（CentralProcessingUnit，中央處理單元）；存儲(chǔ)資源通常包括內(nèi)存和外存，內(nèi)存是CPU直接通過系統(tǒng)總線來訪問的，而外存是通過標(biāo)準(zhǔn)的I/O來管理的。CPU和內(nèi)存都是計(jì)算機(jī)內(nèi)部很多程序所共享的資源。操作系統(tǒng)有條不紊得對(duì)這三種中斷進(jìn)行處理，以管理系統(tǒng)資源。本節(jié)將首先介紹操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備的管理，然后分別介紹CPU與內(nèi)存這兩類共享資源。什么是I/O設(shè)備？除了計(jì)算資源和內(nèi)存資源外，操作系統(tǒng)對(duì)其他資源都通過I/O來管理。如：鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，

顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備，

磁盤、閃存（U盤）等外存設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，I/O設(shè)備的種類繁多，諸如顯卡，磁盤，網(wǎng)卡，U盤，智能手機(jī)等，都是外接I/O設(shè)備，并且持續(xù)不斷的有新的I/O設(shè)備出現(xiàn)。3.1操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理2023/7/26Dr.沙行勉163.1操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理2023/7/26Dr.沙行勉17隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，I/O設(shè)備的種類繁多，操作系統(tǒng)如何識(shí)別不同的I/O設(shè)備？操作系統(tǒng)定義了一個(gè)框架來容納各種各樣的I/O設(shè)備。除了一些專用操作系統(tǒng)以外，現(xiàn)代通用操作系統(tǒng)（如Windows、Linux等）都會(huì)提供一個(gè)I/O模型，允許設(shè)備廠商按照此模型編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（DeviceDriver），并加載到操作系統(tǒng)中。I/O模型通常具有廣泛的適用性，能夠支持各種類型的設(shè)備，包括對(duì)硬件設(shè)備的控制能力，以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?。?jiǎn)單的理解I/O模型，它對(duì)計(jì)算機(jī)下層硬件設(shè)備提供了控制的能力，同時(shí)對(duì)上層應(yīng)用程序訪問硬件提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。3.1操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理2023/7/26Dr.沙行勉18CPU通常使用輪詢和硬件中斷兩種方式檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)：CPU通過不停地查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)寄存器來獲知其工作狀態(tài)，這種方式稱為輪詢方式。

如下圖所示：CPU向設(shè)備1發(fā)出詢問，如果設(shè)備1有I/O請(qǐng)求，則將I/O請(qǐng)求信息返回CPU，否則詢問設(shè)備2。3.1操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理2023/7/26Dr.沙行勉19相比于輪詢方式，另外一個(gè)更有效的做法是使用硬件中斷類型碼來分別是哪個(gè)硬件發(fā)起中斷。當(dāng)某一個(gè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該設(shè)備能主動(dòng)地通知CPU并反映其當(dāng)前的狀態(tài)，從而操作系統(tǒng)可以采取相應(yīng)的措，在硬件中斷發(fā)生時(shí)，每一個(gè)中斷都有一個(gè)中斷類型碼（Interruptvector）作為設(shè)備的標(biāo)示符，使操作系統(tǒng)能區(qū)分來自不同的設(shè)備的中斷請(qǐng)求，以提供不同的服務(wù)。3.1操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理2023/7/26Dr.沙行勉20從中斷類型碼連接到要操作系統(tǒng)要執(zhí)行的服務(wù)程序就要利用一個(gè)重要的表格，中斷向量表（Interruptvectortable）。中斷類型碼是中斷向量表的索引，所以n種中斷類型碼就代表在中斷向量表有n個(gè)行。每一行存著指向相關(guān)服務(wù)程序的起始位置，這個(gè)服務(wù)程序叫做中斷服務(wù)程序（Interruptservceroutine），每一個(gè)中斷類型碼都有一個(gè)自己的中斷服務(wù)程序。當(dāng)CPU收到了中斷類型碼，例如是9，就會(huì)自動(dòng)到中斷向量表第9行，找到它的中斷服務(wù)程序的起始位置，然后跳到此程序去執(zhí)行。3.1操作系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備管理2023/7/26Dr.沙行勉21以鍵盤輸入產(chǎn)生的中斷為例，當(dāng)用戶在鍵盤按下一個(gè)按鍵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鍵盤掃描碼，掃描碼被送入主板上的相關(guān)接口芯片的寄存器中。當(dāng)輸入到達(dá)后，鍵盤將會(huì)發(fā)出中斷類型碼為9的中斷信息。CPU檢測(cè)到中斷信息后，喚醒操作系統(tǒng)，并查找中斷向量表的9號(hào)向量，進(jìn)而轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序入口（函數(shù)調(diào)用），執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷向量表和相關(guān)的中斷服務(wù)程序是極其重要的，需要特別保護(hù)起來，一般用戶是不可以改變它們的。這些都是放在操作系統(tǒng)的內(nèi)核（kernal）保護(hù)起來。3.2操作系統(tǒng)對(duì)CPU的管理2023/7/26Dr.沙行勉22計(jì)算機(jī)的多核時(shí)代已經(jīng)到來。為了滿足系統(tǒng)的性能要求，提高任務(wù)處理的效率，現(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)通常都有一個(gè)或多個(gè)CPU，每個(gè)CPU中又有多個(gè)核（Core）。然而核的數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需要執(zhí)行的程序的數(shù)量。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)普通有幾十個(gè)程序（或叫任務(wù)Task）在等待執(zhí)行。大家都搶著要CPU。所以，操作系統(tǒng)需要合理地安排和調(diào)度任務(wù)，使得計(jì)算資源得以充分利用。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，任務(wù)的數(shù)量遠(yuǎn)超過Core的數(shù)量，為了使多個(gè)任務(wù)可以較公平的地在系統(tǒng)中運(yùn)行，避免出現(xiàn)一個(gè)死循環(huán)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰的情況，就需要有一種機(jī)制能喚醒操作系統(tǒng)，然后操作系統(tǒng)在不同的任務(wù)間進(jìn)行切換。注意操作系統(tǒng)的運(yùn)行是需要CPU的，而CPU正在被進(jìn)程的程序給占據(jù)著。操作系統(tǒng)要怎樣能搶到CPU呢？3.2操作系統(tǒng)對(duì)CPU的管理2023/7/26Dr.沙行勉23因?yàn)镃PU正在被其它程序所占據(jù)，所以操作系統(tǒng)要獲得CPU就需要CPU之外的硬件來發(fā)中斷給CPU，這是通過timer（硬件）發(fā)出的中斷而實(shí)現(xiàn)的。操作系統(tǒng)為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)定長(zhǎng)的時(shí)間片，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，CPU由獲得該時(shí)間片的任務(wù)所占據(jù)。然而每當(dāng)這個(gè)時(shí)間片用完時(shí)，timer硬件自動(dòng)發(fā)出一個(gè)中斷給CPU，經(jīng)過前一節(jié)所講述的硬件中斷過程，CPU會(huì)跳到timer的中斷服務(wù)程序去執(zhí)行，在此中斷服務(wù)程序里會(huì)調(diào)用操作系統(tǒng)的一個(gè)核心程序，叫做調(diào)度器scheduler。調(diào)度器程序根據(jù)當(dāng)時(shí)的任務(wù)執(zhí)行情況，將CPU合理地分配給任務(wù)來使用。3.2操作系統(tǒng)對(duì)CPU的管理2023/7/26Dr.沙行勉24因?yàn)榭赡苡卸鄠€(gè)任務(wù)在要求CPU的執(zhí)行，我們叫這些任務(wù)是就緒（readytorun）任務(wù)。操作系統(tǒng)會(huì)維護(hù)了一個(gè)就緒任務(wù)隊(duì)列(readytorunqueue)存放這些就緒的任務(wù)，在這個(gè)隊(duì)列中，各個(gè)任務(wù)都在等待CPU資源。選擇哪一個(gè)任務(wù)去使用CPU是調(diào)度器的工作。如圖“Timer中斷”所示，（1）在timer發(fā)出中斷后（2）現(xiàn)在執(zhí)行的任務(wù)就會(huì)放到就緒對(duì)列中，（3）調(diào)度器(scheduler)會(huì)從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)任務(wù)來使用CPU。3.2操作系統(tǒng)對(duì)CPU的管理——初識(shí)進(jìn)程2023/7/26Dr.沙行勉25操作系統(tǒng)是世界上最懶惰的東西。他的正常狀態(tài)是睡覺，他不會(huì)自動(dòng)地起來工作。他都是被別人叫醒的（稱為中斷）。但是他也蠻可憐的。每隔一小段時(shí)間就會(huì)被timer鬧鐘叫醒。醒來后做調(diào)度。做完后又睡覺了。調(diào)度時(shí)，有任務(wù)被調(diào)出CPU，有任務(wù)要移回給CPU執(zhí)行。帶來一個(gè)亟需解決的問題。這個(gè)問題的解決基礎(chǔ)造就了重要的“進(jìn)程”概念的開展。該問題是：每一個(gè)任務(wù)執(zhí)行中，一旦時(shí)間片消耗完，該任務(wù)有可能會(huì)被調(diào)度器切換出CPU，但是再次換進(jìn)來要如何恢復(fù)運(yùn)行呢？（1）程序從哪里開始執(zhí)行？（2）假設(shè)程序能恢復(fù)從切換出時(shí)的語句開始執(zhí)行，之前運(yùn)行的結(jié)果怎么恢復(fù)？如果解決不了這兩個(gè)問題，造成的后果是：程序一旦換出CPU，再次被換回CPU中準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，就不能恢復(fù)換出時(shí)的狀態(tài)，這樣系統(tǒng)根本無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。3.2操作系統(tǒng)對(duì)CPU的管理——初識(shí)進(jìn)程2023/7/26Dr.沙行勉26為了解決這些問題，操作系統(tǒng)為每一個(gè)執(zhí)行中的程序（任務(wù)）創(chuàng)建了一個(gè)“進(jìn)程”（Process），用以保存每個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)的所有環(huán)境信息。進(jìn)程中保存了程序計(jì)數(shù)器（PC）內(nèi)容，所有寄存器的內(nèi)容，程序運(yùn)行時(shí)所涉及的變量，堆，棧等等。進(jìn)程保存程序被切換出CPU時(shí)所執(zhí)行到的步驟以及運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變量和當(dāng)時(shí)的堆棧等一切信息。每當(dāng)進(jìn)程切換出CPU時(shí)，這些信息隨著進(jìn)程一起保存到了內(nèi)存，等到該進(jìn)程重新調(diào)入CPU時(shí)，能夠根據(jù)保存的信息恢復(fù)到換出時(shí)的運(yùn)行環(huán)境，程序得以繼續(xù)執(zhí)行。這個(gè)一出一進(jìn)（叫做“交換”，swap）是比較花功夫的，我們希望減少swap的次數(shù)。所以調(diào)度的好壞就關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的性能了。關(guān)于進(jìn)程的相關(guān)知識(shí)和操作，將在6.5節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.3操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理2023/7/26Dr.沙行勉27程序執(zhí)行的錯(cuò)誤例如除以0，讀寫不應(yīng)該讀寫的區(qū)域等等會(huì)產(chǎn)生“異?！敝袛?Exception)，然而更常發(fā)生異常中斷的情況不是程序的錯(cuò)誤，而是有情況需要操作系統(tǒng)起來管理內(nèi)存。一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)候需要內(nèi)存。內(nèi)存和CPU一樣都是珍貴的資源。操作系統(tǒng)管理內(nèi)存，使得多個(gè)任務(wù)能共享內(nèi)存資源。在一個(gè)任務(wù)結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將所分配的內(nèi)存資源進(jìn)行回收，為其他任務(wù)所使用。由于內(nèi)存資源有限，操作系統(tǒng)還需要對(duì)任務(wù)存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行換入換出的管理，以應(yīng)對(duì)內(nèi)存不足的情形。換入的數(shù)據(jù)從硬盤加載進(jìn)內(nèi)存，而換出的數(shù)據(jù)將存到硬盤。變量被換出后，就不在內(nèi)存中了。假如一個(gè)程序需要換出的變量，CPU在讀取時(shí)候，發(fā)覺這個(gè)變量不在內(nèi)存，就會(huì)產(chǎn)生“異?！保僮飨到y(tǒng)就要被喚醒來處理這個(gè)異常中斷，會(huì)把這變量存在的一塊數(shù)據(jù)（叫做頁，Page）從硬盤載入到內(nèi)存里。3.3操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理2023/7/26Dr.沙行勉28試想在執(zhí)行某任務(wù)的某條語句時(shí)，一個(gè)變量還沒有加載進(jìn)內(nèi)存，這時(shí)對(duì)該變量的訪問會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常，拋出“異?！敝袛啵ㄟ@類異常叫做“頁錯(cuò)誤”Pagefault）后，操作系統(tǒng)就被喚醒，跳到頁錯(cuò)誤處理程序（Pagefaulthandler）將該變量所處的部分（普通是一頁數(shù)據(jù)，4K字組）加載進(jìn)內(nèi)存。因?yàn)檫@個(gè)頁錯(cuò)誤處理程序牽扯到硬盤的I/O操作，整個(gè)過程是花時(shí)間的。另外，假如內(nèi)存已經(jīng)沒有空位來存放這一頁，操作系統(tǒng)將采用不同的頁替換算法(pagereplacementalgorithms)，來決定將內(nèi)存中的那個(gè)頁換出以騰出空間。最常用的算法是LRU（LeastRecentlyUsed）算法，就是將內(nèi)存中最長(zhǎng)時(shí)間不用的那一頁換出去。練習(xí)題2023/7/26Dr.沙行勉29假若中斷向量表或中斷服務(wù)程序沒有被保護(hù)好，請(qǐng)舉例解釋病毒可以如何利用這個(gè)弱點(diǎn)？假如timer不是硬件，而是一個(gè)軟件程序，能否達(dá)到保護(hù)CPU不被一個(gè)任務(wù)給獨(dú)占？假如你設(shè)計(jì)timer這個(gè)硬件，請(qǐng)描述timer這個(gè)硬件所含的基本元件和其功能。假如以Python程序來模擬timer，要如何做？討論進(jìn)程應(yīng)該包含哪些信息，使得進(jìn)程交換出去再進(jìn)來得以無礙地恢復(fù)執(zhí)行。為什么stack要保存？這個(gè)stack是指什么？提示：第三章講函數(shù)調(diào)用時(shí)構(gòu)建的環(huán)境。當(dāng)頁錯(cuò)誤處理程序要存入一頁數(shù)據(jù)到內(nèi)存時(shí)，發(fā)覺內(nèi)存已經(jīng)占滿了，請(qǐng)討論要如何決定是哪一頁置換出內(nèi)存？標(biāo)準(zhǔn)為何？當(dāng)正在執(zhí)行的程序發(fā)生pagefault時(shí)，這個(gè)程序會(huì)不會(huì)被非正常地結(jié)束?還是程序毫無所知？討論頁替換算法，什么是好結(jié)果？什么是壞結(jié)果？LRU（LeastRecentlyUsed）算法是將內(nèi)存中最長(zhǎng)時(shí)間不用的那一頁換出去。在什么前提下，這個(gè)算法會(huì)產(chǎn)生好結(jié)果？還有算法是LFU（LeastFrequentlyUsed），就是換出最少次數(shù)讀寫的頁。LRU和LFU一樣嗎？第4節(jié)操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序提供較安全可靠的服務(wù)2023/7/26Dr.沙行勉30內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)系統(tǒng)調(diào)用（SystemCall）——軟件中斷常用系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用實(shí)例：read系統(tǒng)調(diào)用引言2023/7/26Dr.沙行勉31各位將來開公司設(shè)計(jì)出任何的新硬件，這些新硬件如果要連接到計(jì)算機(jī)或手機(jī)，你的公司都必須提供驅(qū)動(dòng)程序（DeviceDriver），這些驅(qū)動(dòng)程序都要通過安全檢測(cè)，假如有病毒是要負(fù)法律責(zé)任的。用戶在使用新硬件前，都必須先安裝驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序就變成了操作系統(tǒng)的部分之一。所有的程序要使用這個(gè)硬件時(shí)，都必須要經(jīng)過操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以保證硬件不被有意或無意的破壞，也可以經(jīng)由操作系統(tǒng)來保證特權(quán)（privilege）的維護(hù)，例如這個(gè)用戶只有權(quán)力做讀操作，而不能做寫操作等等。我們絕對(duì)要禁止用戶程序跳過操作系統(tǒng)直接使用硬件！但是要如何禁止呢？4.1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉32一個(gè)用戶程序可以直接讀寫某個(gè)硬件嗎？例如，小明和助教阿珍在一臺(tái)電腦上分別有各自的用戶賬號(hào)，阿珍將期末考試試卷存放在自己的文件夾下，并且不允許其他用戶訪問，聽起來好像很安全。然而如果小明能直接讀寫硬盤，知道試卷文件在硬盤的物理位置，小明寫了一段匯編語言程序，如下圖所示，跳過操作系統(tǒng)，直接去讀取硬盤硬件所存的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)所保證的安全性就蕩然無存了。所以我們絕對(duì)不允許用戶程序直接訪問硬件設(shè)備。但是如前所述，用戶小明的程序直接讀寫硬盤數(shù)據(jù)，這要怎么防范呢？操作系統(tǒng)是軟件，在這個(gè)問題上軟件是沒有辦法防護(hù)的，必須要CPU提供硬件的支持。4.1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉33禁止用戶程序直接訪問硬件設(shè)備的基本思想是CPU將指令集分為需要特權(quán)的指令（privileged）和一般的指令(non-previleged)。而所有的I/O指令都是屬于需要特權(quán)的指令。一般用戶不能執(zhí)行這類privileged指令，必須是系統(tǒng)內(nèi)核才能執(zhí)行這類privileged指令。所以小明是沒有辦法直接讀寫硬盤的。然而CPU是怎么知道現(xiàn)在執(zhí)行的程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核還是普通用戶進(jìn)程呢？在程序運(yùn)行時(shí)，CPU會(huì)顯示出現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)：內(nèi)核態(tài)（UserMode）還是用戶態(tài)（KernelMode）。在CPU有個(gè)特殊的寄存器叫做狀態(tài)寄存器（statusregister），其中顯示現(xiàn)在的CPU是在內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)。假如CPU是在用戶態(tài)，那么任何的privileged指令都不可以執(zhí)行，一旦執(zhí)行了，CPU就發(fā)生異常錯(cuò)誤。4.1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉34如下圖所示，當(dāng)用戶程序直接執(zhí)行privileged指令時(shí)，CPU會(huì)檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)是否為內(nèi)核態(tài)，假如當(dāng)前狀態(tài)為用戶態(tài)，CPU就不會(huì)執(zhí)行該指令，CPU發(fā)生異常錯(cuò)誤。這些檢測(cè)不是軟件，是CPU硬件執(zhí)行每一個(gè)指令時(shí)自動(dòng)檢測(cè)的。4.1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉35CPU如何從用戶態(tài)轉(zhuǎn)成內(nèi)核態(tài)？CPU如何從用戶態(tài)轉(zhuǎn)成內(nèi)核態(tài)，這是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)：必須要使用“中斷”方式，只有中斷，CPU才會(huì)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。不管是哪種中斷，CPU就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)模式。一個(gè)用戶程序當(dāng)要得到操作系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)，它執(zhí)行軟件中斷，最底層就是執(zhí)行一個(gè)特殊的叫做“int”的指令來實(shí)現(xiàn)的（每一種CPU有類似的指令，只是名字不一樣，intelx86指令集叫做int指令，ARM指令集叫做swi指令，在一些操作系統(tǒng)教科書叫做trap指令），用戶程序通過執(zhí)行該指令來獲取操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。重點(diǎn)是在執(zhí)行這條指令時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)的將狀態(tài)置為內(nèi)核態(tài)。操作系統(tǒng)會(huì)保存一個(gè)中斷向量表，每一行是存著中斷服務(wù)程序的起始位置。int指令會(huì)有一個(gè)參數(shù)#n，“int#n”。當(dāng)CPU執(zhí)行到int#n指令時(shí)時(shí)，會(huì)將模式轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)，讀取中斷向量表的第#n個(gè)記錄，跳到相對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序去執(zhí)行。4.1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉36軟件中斷例子以Linux的軟件中斷為例，首先將想要執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)放入暫存器EAX中，例如read的編號(hào)是3，write的編號(hào)是4，open的編號(hào)是5，close的編號(hào)是6等等。然后執(zhí)行軟件中斷int80h（80h是16進(jìn)制）指令就行了。MSDOS，Windows等系統(tǒng)也是用相似的方式，只是int#n中的#n用不同的編號(hào)，例如MSDOS，用int21h為軟件中斷，大家將來寫底層驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，或許需要知道這些細(xì)節(jié)，一半的軟件設(shè)計(jì)者是不需要知道這些細(xì)節(jié)，操作系統(tǒng)都有較方便的接口來給軟件調(diào)用。很多高階語言例如Python，Java等再包裝操作系統(tǒng)的接口，提供多種更高階、更方便的函數(shù)接口供軟件設(shè)計(jì)者來使用。4.1內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉37使用int指令后，用戶程序就可以獲得操作系統(tǒng)提供的服務(wù)了，狀態(tài)也自動(dòng)變成內(nèi)核態(tài)，此時(shí)可以執(zhí)行那些需要特權(quán)的指令。注意此時(shí)的程序是操作系統(tǒng)。而結(jié)束中斷服務(wù)程序后，調(diào)度器選擇一個(gè)用戶進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，CPU會(huì)將狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩魬B(tài)。注意此時(shí)的程序是用戶的程序。用這種方式就是能保證，沒有用戶能“跳過”操作系統(tǒng)去直接使用I/O了。這個(gè)過程如下圖所示。4.2系統(tǒng)調(diào)用（SystemCall）——軟件中斷2023/7/26Dr.沙行勉38操作系統(tǒng)中設(shè)置了一組用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的子程序，稱為系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)和普通函數(shù)調(diào)用非常相似，只是系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的操作一定是運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，而普通的函數(shù)調(diào)用由函數(shù)庫或用戶自己提供，運(yùn)行于用戶態(tài)。當(dāng)程序需要使用操作系統(tǒng)的服務(wù)來完成某項(xiàng)功能時(shí)，就需要使用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。CPU運(yùn)行到系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，將會(huì)執(zhí)行int#n指令，CPU會(huì)產(chǎn)生軟件中斷，喚醒操作系統(tǒng)，接下來再運(yùn)行操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。注意，int#n的指令的目的是喚醒操作系統(tǒng)來提供服務(wù)，“轉(zhuǎn)成內(nèi)核態(tài)”是“隱藏”在int指令里自動(dòng)做的事。所以，用戶的程序只能在調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，CPU才會(huì)轉(zhuǎn)成內(nèi)核態(tài)，以正確地執(zhí)行操作系統(tǒng)里的內(nèi)核程序。系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，將返回用戶模式，CPU寄存器的狀態(tài)位改為Usermode，繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。也就是說用戶自己的程序是不可能在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的。4.2練習(xí)題2023/7/26Dr.沙行勉39討論能不能有一個(gè)指令“swith_to_kernel_mode”指令，目的是將狀態(tài)變成內(nèi)核態(tài)。有了這樣的指令，會(huì)有什么問題？請(qǐng)討論為什么利用這種內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的保護(hù)方式，普通用戶程序不能利用int進(jìn)入內(nèi)核態(tài)后再胡作非為呢？提示：int的目的不是為了進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。4.3常用系統(tǒng)調(diào)用2023/7/26Dr.沙行勉40常用的系統(tǒng)調(diào)用可分為：進(jìn)程控制，如：fork()，exit()等。文件系統(tǒng)操作控制，如：read()，write()等。系統(tǒng)控制，如：ioctl()，time()等。內(nèi)存管理，如：mmap()，mprotect()等。網(wǎng)絡(luò)管理控制，如：sethostname()，soket()，bind()等。用戶管理，如：getuid()，getgid()等。進(jìn)程間通信，如：signal()，kill()等。在今后的學(xué)習(xí)工作中，文件操作是最為常用，在此，將介紹關(guān)于文件的一些常用操作的系統(tǒng)調(diào)用，包括文件的打開、創(chuàng)建、讀、寫等系統(tǒng)調(diào)用。4.3常用系統(tǒng)調(diào)用——文件系統(tǒng)操作控制2023/7/26Dr.沙行勉41什么是文件？對(duì)于linux而言，諸如輸出設(shè)備顯示器、輸入設(shè)備鍵盤、磁盤文件、打印機(jī)、甚至網(wǎng)絡(luò)，都被看作是文件，這樣做的好處就是統(tǒng)一了硬件與普通文件的管理與操作。使用以下提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)就能對(duì)這些“文件”進(jìn)行操作。系統(tǒng)調(diào)用功能所在庫文件參數(shù)返回值open打開文件fcntl.h路徑名，打開模式（只讀、讀寫等）一個(gè)文件描述符（類似與進(jìn)程PID）close關(guān)閉文件描述字unistd.h文件描述符成功返回0，出錯(cuò)返回-1read讀文件，存入緩存所指地址unistd.h文件描述符、緩存地址、讀入大小實(shí)際讀到的字節(jié)數(shù)，出錯(cuò)返回-1write寫文件，將緩存內(nèi)容寫入文件unistd.h文件描述符、緩存地址、讀入大小實(shí)際寫入文件的字節(jié)數(shù)，出錯(cuò)返回-1mkdir創(chuàng)建目錄sys/stat.hsys/types.h創(chuàng)建目錄路徑、權(quán)限成功返回0，出錯(cuò)返回-1rmdir刪除目錄同上所刪除目錄路徑成功返回0，出錯(cuò)返回-1rename文件改名stdio.h舊名，新名成功返回0，出錯(cuò)返回-14.4系統(tǒng)調(diào)用實(shí)例：read系統(tǒng)調(diào)用2023/7/26Dr.沙行勉42為了更清晰地理解系統(tǒng)調(diào)用的過程，我們來觀察read（）系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程。假設(shè)現(xiàn)在程序需要獲得由標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備（鍵盤）所按下的一個(gè)按鍵。首先需要了解一些基礎(chǔ)知識(shí)。（1）在Linux系統(tǒng)中，每一個(gè)文件都有一個(gè)文件描述符（fd，），在下一節(jié)講述文件的時(shí)候?qū)⒕唧w講述這部分內(nèi)容。對(duì)于鍵盤，顯示器等設(shè)備，也被看做是一個(gè)特殊的文件，對(duì)于鍵盤這類標(biāo)準(zhǔn)輸入，其fd值為0，標(biāo)準(zhǔn)輸出的fd值是1。（2）系統(tǒng)調(diào)用read的功能，是從打開的設(shè)備或文件中讀取數(shù)據(jù)。（3）read函數(shù)的參數(shù)為：read(intfd,void*buf,size_tcount)。表示將從文件描述符為fd的“文件”中，取出count大小的內(nèi)容，存放到buf的空間中去。因此，要完成從鍵盤獲取按下一個(gè)按鍵的值，我們需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用為：read(0,ch,1)。4.4系統(tǒng)調(diào)用實(shí)例：read系統(tǒng)調(diào)用2023/7/26Dr.沙行勉43假設(shè)ProcessA現(xiàn)在開始執(zhí)行read(0,ch,1)系統(tǒng)調(diào)用，其執(zhí)行過程如下圖。4.4系統(tǒng)調(diào)用實(shí)例：read系統(tǒng)調(diào)用2023/7/26Dr.沙行勉44首先進(jìn)入read系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，圖中（A）步驟。進(jìn)入read的用戶接口程序后，將參數(shù)到傳遞到相關(guān)寄存器中（包括read系統(tǒng)調(diào)用號(hào)），使用int指令進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，圖中（B）步驟。在內(nèi)核態(tài)，根據(jù)寄存器內(nèi)容找到read系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程，執(zhí)行硬盤I./O的操作。這時(shí)，ProcessA需要讓出CPU資源，進(jìn)入I/O等待隊(duì)列（阻塞態(tài)，在6.5.2將進(jìn)行講解）。當(dāng)I/O完成后，鍵盤發(fā)出硬件中斷，將ProcessA換入就緒隊(duì)列（readytorunqueue），中斷服務(wù)程序調(diào)用scheduler函數(shù)，將選擇一個(gè)ready-to-run進(jìn)程調(diào)入CPU執(zhí)行。ProcessA重新調(diào)入CPU，繼續(xù)執(zhí)行read系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程，結(jié)束后，返回到用戶空間的用戶接口程序，圖中（C）步驟。最后，返回用戶程序繼續(xù)執(zhí)行，圖中（D）步驟。4小結(jié)2023/7/26Dr.沙行勉45軟件開發(fā)者如何統(tǒng)一的使用硬件資源？為了統(tǒng)一的使用硬件資源，軟件開發(fā)者通過操作系統(tǒng)提供的用戶接口程序，進(jìn)入內(nèi)核模式使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)來使用資源。也就是說，不論是QQ程序，或是Office程序，例如要讀取一個(gè)文件的內(nèi)容時(shí)，都可以調(diào)用read系統(tǒng)調(diào)用。這種統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方式有利于開發(fā)者進(jìn)行快速開發(fā)。只要開發(fā)者熟悉了操作系統(tǒng)所提供的系統(tǒng)調(diào)用后，便可進(jìn)行不同上層軟件的開發(fā)。操作系統(tǒng)如何為硬件系統(tǒng)提供安全保證？對(duì)于硬件系統(tǒng)安全保證，則是因?yàn)榭刂朴布牡讓映绦蚓刹僮飨到y(tǒng)提供，用戶有理由相信操作系統(tǒng)不會(huì)做毀壞自己的事。所以，系統(tǒng)一旦進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，就處于安全的狀態(tài)。而上層應(yīng)用軟件運(yùn)行自身代碼段（非系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)）時(shí)，不能切換到內(nèi)核態(tài)，所以，程序無法通過自身代碼段攻擊下層硬件。第5節(jié)操作系統(tǒng)對(duì)多運(yùn)行環(huán)境的管理2023/7/26Dr.沙行勉46進(jìn)程進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程調(diào)度引言2023/7/26Dr.沙行勉47在介紹了操作系統(tǒng)對(duì)CPU資源進(jìn)行管理時(shí)講到：如果有多道任務(wù)在同一個(gè)Core上進(jìn)行執(zhí)行時(shí)，將由timer發(fā)出中斷換出正在執(zhí)行的任務(wù)，換入其它可以執(zhí)行的任務(wù)。進(jìn)程從CPU中被換出時(shí)，不能簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的剝奪CPU資源，要同時(shí)保存進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)信息，以便進(jìn)程再次被換入CPU時(shí)能恢復(fù)到換出時(shí)的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。比如說，進(jìn)程被換出時(shí)的執(zhí)行位置需要保存。程序執(zhí)行的位置信息是保存在PC寄存器中，程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容是下一條運(yùn)行指令的地址。所以，為了恢復(fù)執(zhí)行，系統(tǒng)需要在進(jìn)程換出時(shí)保存程序計(jì)數(shù)器PC的值。當(dāng)進(jìn)程再次換入時(shí)，將已保存的值重新傳入PC便能定位到換出時(shí)的位置。另外，在進(jìn)程換出時(shí)，由已經(jīng)執(zhí)行完成的程序部分所產(chǎn)生的所有相關(guān)數(shù)據(jù)也需要保存起來以便進(jìn)程被再次換入執(zhí)行時(shí)能夠順利的繼續(xù)執(zhí)行。5.1進(jìn)程（Process）2023/7/26Dr.沙行勉48進(jìn)程是一個(gè)程序的一次執(zhí)行，包含了其執(zhí)行時(shí)所有的環(huán)境信息。程序源代碼只是按照各種程序語言的語法規(guī)則所編寫的，而一個(gè)程序要在計(jì)算機(jī)上“跑”起來，首先需要將源代碼轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，其次還需要操作系統(tǒng)為其提供一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，而這個(gè)運(yùn)行環(huán)境就是進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程可以用右圖描述：5.1進(jìn)程（Process）2023/7/26Dr.沙行勉49一個(gè)進(jìn)程包含了代碼段、數(shù)據(jù)段、棧、堆、BSS段以及進(jìn)程控制塊等部分。代碼段（Codesegment/Textsegment）通常是指用來存放程序執(zhí)行代碼的一塊內(nèi)存區(qū)域。數(shù)據(jù)段（Datasegment）通常是指用來存放程序中已經(jīng)初始化的全局變量的一塊內(nèi)存區(qū)域。棧（Stack）是用戶存放程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量區(qū)域。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會(huì)被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且等到函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會(huì)被存放回棧中。由于棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有先進(jìn)后出特點(diǎn)，所以棧能夠特別方便用于保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)。堆（Heap）是用于存放進(jìn)程運(yùn)行中動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可根據(jù)進(jìn)程運(yùn)行的需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)張或縮減。例如所有的類對(duì)象（objects）是存放在這個(gè)區(qū)域的。BSS段（BlockStartedbySymbol）通常是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內(nèi)存區(qū)域。另外，操作系統(tǒng)為了統(tǒng)一管理進(jìn)程，專門設(shè)置了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即進(jìn)程控制塊（ProcessControlBlock，PCB），用來記錄進(jìn)程的特征信息，描述進(jìn)程運(yùn)動(dòng)變化的過程。PCB是操作系統(tǒng)感知進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)，進(jìn)程與PCB是一一對(duì)應(yīng)的。5.2進(jìn)程狀態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉50在多道程序系統(tǒng)中，進(jìn)程在一個(gè)處理器上交替運(yùn)行，進(jìn)程狀態(tài)也會(huì)隨之不斷發(fā)生變化。本節(jié)介紹最基礎(chǔ)的“三狀態(tài)模型”?！叭隣顟B(tài)模型”中，三種基本狀態(tài)分別為運(yùn)行態(tài)（Running）、就緒態(tài)（Readytorun）和阻塞態(tài)（Blocking），三個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示。5.2進(jìn)程狀態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉51運(yùn)行態(tài)：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在處理機(jī)上運(yùn)行時(shí)，則稱該進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)。每個(gè)時(shí)刻，處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程數(shù)目不能超過系統(tǒng)中處理器的數(shù)目。對(duì)于單處理機(jī)系統(tǒng)，每個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)。如果在某一時(shí)刻系統(tǒng)中沒有可執(zhí)行的進(jìn)程（例如所有進(jìn)程都在阻塞狀態(tài)），CPU通常會(huì)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的空閑進(jìn)程。就緒態(tài)：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程獲得了除處理機(jī)以外的一切所需資源，一旦得到處理機(jī)即可運(yùn)行，則稱此進(jìn)程處于就緒狀態(tài)。阻塞態(tài)：也稱為等待或睡眠狀態(tài)。一個(gè)進(jìn)程正在等待某一事件發(fā)生（例如請(qǐng)求I/O而等待I/O完成等）而暫時(shí)停止運(yùn)行。在這個(gè)時(shí)刻，即使把CPU分配給該進(jìn)程，它也無法運(yùn)行，故稱該進(jìn)程處于阻塞狀態(tài)。5.2進(jìn)程狀態(tài)2023/7/26Dr.沙行勉52簡(jiǎn)單起見，僅考慮操作系統(tǒng)對(duì)一個(gè)Core的管理。在某一時(shí)刻，處于就緒態(tài)的進(jìn)程常常不止一個(gè)，所以，操作系統(tǒng)維護(hù)了一個(gè)就緒隊(duì)列，存放所有處于就緒態(tài)的進(jìn)程。在單核的系統(tǒng)里僅有一個(gè)進(jìn)程處于運(yùn)行態(tài)，其它已準(zhǔn)備好可執(zhí)行的進(jìn)程則位于就緒隊(duì)列。當(dāng)正在運(yùn)行的進(jìn)程時(shí)間片消耗完后，這個(gè)進(jìn)程被換出CPU，進(jìn)入就緒隊(duì)列，或者該進(jìn)程需要等待某事件（例如I/O），這個(gè)進(jìn)程也被換出CPU，進(jìn)入阻塞態(tài)的等待隊(duì)列。這樣，可以以使其它處于就緒隊(duì)列的進(jìn)程共享地使用CPU資源。這時(shí)，操作系統(tǒng)的調(diào)度器會(huì)從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入CPU執(zhí)行，并將此進(jìn)程置于運(yùn)行態(tài)。處于阻塞態(tài)的進(jìn)程將在其所等事件完成后，重新被調(diào)入到就緒隊(duì)列，等待調(diào)度器的選擇以繼續(xù)執(zhí)行。5.3進(jìn)程調(diào)度（Scheduling）——衡量指標(biāo)2023/7/26Dr.沙行勉53不同的進(jìn)程調(diào)度策略會(huì)給系統(tǒng)帶來不同的影響。要衡量調(diào)度策略的好壞，需要引入一些評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)一個(gè)進(jìn)程來說，一個(gè)重要的指標(biāo)是進(jìn)程的執(zhí)行所需時(shí)間，用“周轉(zhuǎn)時(shí)間”來刻畫。周轉(zhuǎn)時(shí)間（Turnaroundtime）指從進(jìn)程首次進(jìn)入就緒隊(duì)列到完成的時(shí)間間隔，它刻畫了用戶需要等待輸出結(jié)果的時(shí)間。對(duì)于一個(gè)進(jìn)程而言，周轉(zhuǎn)時(shí)間越小越好。對(duì)于多個(gè)進(jìn)程，衡量的指標(biāo)為“平均周轉(zhuǎn)時(shí)間”。平均周轉(zhuǎn)時(shí)間即為所有進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時(shí)間之和除以進(jìn)程數(shù)，系統(tǒng)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間越小越好。評(píng)價(jià)系統(tǒng)好壞的另一個(gè)重要指標(biāo)為吞吐量（Throughput），是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)的數(shù)量。例如，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，每小時(shí)完成50個(gè)任務(wù)的調(diào)度算法優(yōu)于每小時(shí)完成40個(gè)任務(wù)的調(diào)度算法。5.3進(jìn)程調(diào)度——先來先服務(wù)（FCFS）2023/7/26Dr.沙行勉54先來先服務(wù)調(diào)度算法是按照進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列的先后次序來選擇。先進(jìn)入系統(tǒng)的進(jìn)程優(yōu)先進(jìn)入CPU執(zhí)行。這種算法容易實(shí)現(xiàn)，但效率可能不高。優(yōu)缺點(diǎn)有：先來先服務(wù)的進(jìn)程調(diào)度算法有利于有利于長(zhǎng)作業(yè)進(jìn)程，而不利于短作業(yè)。如果一個(gè)長(zhǎng)作業(yè)先進(jìn)入就緒隊(duì)列，那么就會(huì)使就緒隊(duì)列中的短作業(yè)等待較長(zhǎng)的時(shí)間。例如，程序A需要100分鐘執(zhí)行，它先到達(dá)就緒隊(duì)列，程序B只需要1分鐘執(zhí)行，但是后到達(dá)就緒隊(duì)列。根據(jù)先到先服務(wù)的算法，程序A先執(zhí)行，程序B后執(zhí)行，那么程序B要等待100分后才能執(zhí)行，所以B的周轉(zhuǎn)時(shí)間為101，而程序A的周轉(zhuǎn)時(shí)間為100，平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為100.5。如果先執(zhí)行程序B，那么B的周轉(zhuǎn)時(shí)間為1，A的周轉(zhuǎn)時(shí)間為101，平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為51。FCFS算法不利于短作業(yè)而有利于長(zhǎng)作業(yè)，并且FCFS會(huì)使得平均周轉(zhuǎn)時(shí)間變長(zhǎng)。5.3進(jìn)程調(diào)度——短作業(yè)優(yōu)先（SJF）2023/7/26Dr.沙行勉55短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度是對(duì)預(yù)計(jì)執(zhí)行時(shí)間短的作業(yè)優(yōu)先分配處理資源，它克服了FCFS的缺點(diǎn)，并且易于實(shí)現(xiàn)。優(yōu)先調(diào)用短作業(yè)的策略將降低作業(yè)的平均等待時(shí)間，有利于提高系統(tǒng)吞吐量。比如說，對(duì)一個(gè)需要同時(shí)處理大量短作業(yè)和長(zhǎng)作業(yè)的系統(tǒng)，如果調(diào)度算法總是運(yùn)行短作業(yè)，不運(yùn)行長(zhǎng)作業(yè)，系統(tǒng)將獲得極好的吞吐量（每個(gè)小時(shí)完成作業(yè)的數(shù)量）。但是，短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度存在三個(gè)缺點(diǎn)：一是系統(tǒng)需要預(yù)先知道作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間，然而，執(zhí)行時(shí)間有時(shí)是難以預(yù)測(cè)；二是該調(diào)度算法忽略了作業(yè)的等待時(shí)間，尤其是長(zhǎng)作業(yè)的等待時(shí)間。短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法對(duì)于長(zhǎng)作業(yè)來講，是不公平的，這些長(zhǎng)作業(yè)可能長(zhǎng)時(shí)間得不到執(zhí)行，它們的周轉(zhuǎn)時(shí)間十分長(zhǎng)，出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象（指的是進(jìn)程一直得不到系統(tǒng)資源）；三是短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度策略未考慮作業(yè)的緊迫程度。5.3進(jìn)程調(diào)度——短作業(yè)優(yōu)先（SJF）2023/7/26Dr.沙行勉56考慮以下例子，表中給出了一批任務(wù)，包括每個(gè)任務(wù)到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間，執(zhí)行時(shí)間等信息。該系統(tǒng)時(shí)間片為5個(gè)時(shí)間單位。在第0時(shí)刻，進(jìn)程2,3到達(dá)系統(tǒng)，使用短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度策略，進(jìn)程3優(yōu)先調(diào)度；在時(shí)刻5時(shí)，進(jìn)程4,5都已到達(dá)，現(xiàn)在的最短任務(wù)是進(jìn)程5，所以進(jìn)程5開始執(zhí)行；第10時(shí)刻，進(jìn)程5執(zhí)行完成，現(xiàn)在就緒隊(duì)列中，4號(hào)進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間最短，所以調(diào)入4號(hào)進(jìn)程；第20時(shí)刻，4號(hào)進(jìn)程執(zhí)行完成，讓出CPU，重新調(diào)入3號(hào)進(jìn)程；最后，調(diào)入2號(hào)進(jìn)程執(zhí)行。進(jìn)程PID到達(dá)時(shí)間執(zhí)行時(shí)間2020301544105555.3進(jìn)程調(diào)度2023/7/26Dr.沙行勉57如果使用先來先服務(wù)調(diào)度，那么系統(tǒng)將依次執(zhí)行任務(wù)2,3,4,5。根據(jù)以上兩個(gè)調(diào)度策略，以及之前介紹的周轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)算，可以得到下表的任務(wù)執(zhí)行信息。使用短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度的系統(tǒng)，執(zhí)行完這4個(gè)任務(wù)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為25.25，而使用先來先服務(wù)調(diào)度策略的系統(tǒng)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為35.25。從表中還可以觀察到，短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度對(duì)長(zhǎng)作業(yè)不利，如任務(wù)2，使用SJF策略的周轉(zhuǎn)時(shí)間相比于FCFS策略的周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。但是SJF策略得到的系統(tǒng)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間相比于FCFS，得到明顯得提高。任務(wù)PID短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度先來先服務(wù)調(diào)度開始執(zhí)行時(shí)間結(jié)束時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間開始執(zhí)行時(shí)間結(jié)束時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間230505002020303030203535410201635454155105455045第6節(jié)文件系統(tǒng)（）2023/7/26Dr.沙行勉58文件基本概念目錄樹結(jié)構(gòu)Python中的文件操作學(xué)生實(shí)例的擴(kuò)展引言2023/7/26Dr.沙行勉59現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要用到大量的程序和數(shù)據(jù)。通過前面的學(xué)習(xí)知道，內(nèi)存的速度雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外存，但其容量有限，且不能長(zhǎng)期保存程序和數(shù)據(jù)信息。因此，系統(tǒng)將這些程序和數(shù)據(jù)組織成文件，存儲(chǔ)在外存設(shè)備（硬盤、光盤、U盤等）中。例如，在本書之前章節(jié)中編寫的Python代碼都會(huì)存儲(chǔ)到一個(gè)文件中。平時(shí)生活中聽的音樂，拍的照片，也都會(huì)以2進(jìn)制信息存儲(chǔ)于一個(gè)文件之中。對(duì)于存儲(chǔ)在外存設(shè)備的文件，使用時(shí)需要先要調(diào)入內(nèi)存。如果由用戶直接管理這些文件，不僅要求用戶熟悉外存特性，了解各個(gè)需要使用文件的屬性，還要知道這些文件在外存中存儲(chǔ)的位置。顯然，這些繁雜得工作不能交付給用戶完成。于是，對(duì)文件的管理順理成章地交付給了操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)中有一個(gè)文件系統(tǒng)，專門負(fù)責(zé)管理外存上的文件。這不僅方便了用戶對(duì)文件的操作，同時(shí)保證了系統(tǒng)中文件的安全性。6.1文件基本概念2023/7/26Dr.沙行勉60文件命名各個(gè)操作系統(tǒng)的文件命名規(guī)則有所不同，文件名的格式和長(zhǎng)度因系統(tǒng)而異。常見的文件名由兩部分構(gòu)成，格式為：“文件名.擴(kuò)展名”。文件名與擴(kuò)展名都是由字母或數(shù)字組成的字符串，通常文件的文件名可以由用戶自定義，而文件的后綴名則是代表不同的文件類型。例如在Windows下，可執(zhí)行文件為“文件名.exe”，Python文件多以“.py”結(jié)尾，常見的音視頻文件如：“文件名.mp3”，“文件名.mp4”，“文件名.avi”等。6.1文件基本概念2023/7/26Dr.沙行勉61文件的類型在前面兩個(gè)小節(jié)中已經(jīng)介紹，Linux中將顯示器、打印機(jī)等外設(shè)也看作是一個(gè)文件，而系統(tǒng)根據(jù)文件所具有的不同類型，能夠區(qū)分普通文件與外設(shè)文件以及各個(gè)不同種類的外設(shè)。具體來講，Linux中支持如下幾種文件類型：普通文件：指存儲(chǔ)于外存設(shè)備上，通常意義上的文件，包括用戶建立的源程序（python、C、C++）文件，數(shù)據(jù)（照片、音視頻等）文件，庫（提供系統(tǒng)調(diào)用）文件、可執(zhí)行程序文件等。目錄文件：統(tǒng)一管理普通文件等（類似Windows文件夾）。一個(gè)目錄文件可包含多個(gè)普通文件，也可包含目錄文件，它為文件系統(tǒng)形成了一個(gè)邏輯上的結(jié)構(gòu)。塊設(shè)備文件：用于管理磁盤、光盤等塊設(shè)備，并提供相應(yīng)的I/O操作字符設(shè)備文件：用于管理打印機(jī)等支付設(shè)備，并提供相應(yīng)I/O操作除了以上類型的文件之外，Linux文件類型還包括套接字文件（用于網(wǎng)絡(luò)通信），命名管道文件（用于進(jìn)程間通信）。6.2目錄樹結(jié)構(gòu)2023/7/26Dr.沙行勉62如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)文件具有相同的文件名。目錄樹結(jié)構(gòu)解決了這個(gè)問題。在文件系統(tǒng)目錄樹中，最頂層的節(jié)點(diǎn)為根目錄，從根目錄向下，每一個(gè)有分支的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)子目錄，而樹葉節(jié)點(diǎn)（沒有分支）就是一個(gè)文件。例如，下圖所示，“/”所示節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為一個(gè)目錄文件，其下有dev、bin、usr三個(gè)目錄文件，usr目錄下，又有阿珍的目錄，小明的目錄以及本教材文件。這樣，即便阿珍和小明有同名的文件，兩個(gè)文件所在路徑是不同的，就可以區(qū)分這兩個(gè)文件了。6.2目錄樹結(jié)構(gòu)2023/7/26Dr.沙行勉63目錄查找是文件系統(tǒng)的一項(xiàng)很重要的工作，每當(dāng)需要使用系統(tǒng)調(diào)用open打開文件時(shí)，必須要求給出路徑名及文件名。例如，要打開小明寫的名為os.py的Python文件，需要使用fd=open(“/usr/Ming/os.py”)進(jìn)行打開，有了文件描述符fd后，就可以對(duì)該文件進(jìn)行一系列操作了。路徑通常可以分為兩類：絕對(duì)路徑與相對(duì)路徑。絕對(duì)路徑是指從根向下直到具體文件的完整路徑，如上述例子“/usr/Ming/os.py”就是一個(gè)絕對(duì)路徑。但是，隨著文件系統(tǒng)層次的增加，使用絕對(duì)路徑變得十分繁瑣。更糟的情況是，在某文件系統(tǒng)下寫的程序要到另一個(gè)文件系統(tǒng)下去運(yùn)行，如果使用絕對(duì)路徑，要求兩個(gè)文件系統(tǒng)有相同的目錄樹結(jié)構(gòu)，這是不靈活的。為了解決這一系列的問題，在程序中除了使用絕對(duì)路徑外，還可以使用相對(duì)路徑。相對(duì)路徑就是指目標(biāo)文件的位置與當(dāng)前所在目錄的路徑關(guān)系。相對(duì)路徑中包含兩個(gè)符號(hào)“.”、“..”，其中“.”表示當(dāng)前目錄，而“..”表示父節(jié)點(diǎn)目錄。例如，在/usr/Ming/os.py中，“./”表示“/usr/Ming”目錄，而“../”表示“/usr”目錄。6.2目錄樹結(jié)構(gòu)2023/7/26Dr.沙行勉64普通我們讀寫一個(gè)文件的順序是（1）open這個(gè)文件，參數(shù)包含了路徑。（2）用一個(gè)循環(huán)來讀/寫(read/write)文件里的數(shù)據(jù)。為什么要先做open，而不是在每次在讀寫操作的時(shí)候去尋找路徑呢？open的目的是什么？仔細(xì)研究open函數(shù)，就會(huì)發(fā)覺open是個(gè)很花時(shí)間的操作，尤其是當(dāng)路徑要經(jīng)過多重目錄的時(shí)候。每一層目錄都要做硬盤I/O操作，尋找下一個(gè)子目錄，一層層地找下去，open包含了這么多I/O操作是花時(shí)間的。我們希望花時(shí)間的操作在循環(huán)之前只做一次，而不要在每次循環(huán)中都做一次。所以我們?cè)谘h(huán)前做open操作是有利的。而open操作的目的是（1）最終獲得此文件數(shù)據(jù)在硬盤中的位置，（2）在路徑遍歷過程中，檢查用戶是否有權(quán)限來做此文件的操作。（3）當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程要讀寫相同的文件時(shí)，有時(shí)需要利用open在讀寫前鎖住文件，以取得文件的一致性。所以open的功用是多樣的。6.2目錄樹結(jié)構(gòu)2023/7/26Dr.沙行勉65Python語言給編程者提供了一系列方便的文件讀寫操作函數(shù)，而這些文件操作函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)中，會(huì)調(diào)用之前所介紹的系統(tǒng)調(diào)用（軟件中斷）來要求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，就是執(zhí)行int指令。這些調(diào)用操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)較為復(fù)雜，一般用戶是不需要知道細(xì)節(jié)的，用戶只要享受Python所提供方便的文件讀寫函數(shù)就好了。所以，當(dāng)小明要在os.py中打開Task1文件，只要了解Python為編程者提供了哪些文件操作函數(shù)就好了。下一小節(jié)將對(duì)此展開進(jìn)行介紹。6.3Python中的文件操作2023/7/26Dr.沙行勉66Python提供了文件對(duì)象，并內(nèi)置了open函數(shù)來獲取一個(gè)文件對(duì)象。Open函數(shù)的使用：=open(path,mode)。其中，是調(diào)用open函數(shù)后得到的文件對(duì)象；path是一個(gè)字符串，代表要打開文件的路徑；而mode是打開文件的模式，常用的模式如下表所示。小明在os.py中要打開Task1文件進(jìn)行讀寫，需要使用r+模式，實(shí)現(xiàn)如下：f=open('./Task1','r+')。簡(jiǎn)單一個(gè)語句便實(shí)現(xiàn)了打開文件的操作，之后對(duì)該文件的操作只需對(duì)新得到的文件對(duì)象f，使用文件對(duì)象提供的方法即可。文件模式解釋r以只讀方式打開：只允許對(duì)文件進(jìn)行讀操作，不允許寫操作。（默認(rèn)方式）w以寫方式打開：文件不為空時(shí)清空文件，文件不存在時(shí)新建文件。a追加模式：文件存在則在寫入時(shí)將內(nèi)容添加到末尾。r+以讀寫模式打開：打開的文件即可讀又可寫6.3Python中的文件操作——常用方法2023/7/26Dr.沙行勉67下表給出了文件對(duì)象提供的常用方法，同第四章，參數(shù)中的[]符號(hào)表示括號(hào)中的值可以傳遞也可以不傳遞：讀寫操作是文件操作的最主要的操作，下面將主要講解表中的f.readline()、f.readlines()和f.writelines(list)方法。方法作用/返回參數(shù)f.close()關(guān)閉文件：用open()打開文件后使用close關(guān)閉。無f.read([count])讀出文件：讀出count個(gè)字節(jié)。如果沒有參數(shù)，讀取整個(gè)文件[count]f.readline()讀出一行信息，保存于list：每讀完一行，移至下一行開頭。無f.readlines()讀出所有行，保存在字符串列表中。無f.truncate([size])截取文件，使文件的大小為size。[size]f.write(string)把string字符串寫入文件。字符串f.writelines(list)把list中的字符串寫入文件，是連續(xù)寫入文件，沒有換行。字符串6.3Python中的文件操作——讀取文件內(nèi)容2023/7/26Dr.沙行勉68#<程序：讀取文件os.py>f=open("./Task1.txt",'r');fls=f.readlines()forlineinfls: line=line.strip();print(line)f.close()當(dāng)小明打開文件Task1.txt后，想要讀取該文件的內(nèi)容，并打印出來。那么，os.py的實(shí)現(xiàn)如右方所示。使用readlines方法后，返回一個(gè)list，該list的每一個(gè)元素為文件的一行信息。需要注意的是，文件的每行信息包括了最后的換行符“\n”，在進(jìn)行字符串處理時(shí)，通常需要使用strip方法將頭尾的空白和換行符號(hào)等等去掉。6.3Python中的文件操作——寫入文件2023/7/26Dr.沙行勉69#<程序：讀取文件os.py，計(jì)算并寫回>f=open("./Task1.txt",'r+');fls=f.readlines()forlineinfls: line=line.strip()

lstr=line.split() iflstr[0]=='3': res=0 foreinlstr[1:]: res+=int(e)f.write('\n4'+str(res));f.close()實(shí)例1將文件Task1的內(nèi)容全部讀入到fls列表中。實(shí)例二要將文件首字符為“3”的行中每一個(gè)數(shù)字加起來，不包括3，即“105192037”；然后，將結(jié)果寫入到文件末尾。分析：首先要獲取首字符3，為此，可以用split()函數(shù)將每一行字符串按空格分解為每個(gè)元素不包含空格的list。然后判斷l(xiāng)ist[0]是不是字符3。然后需要計(jì)算該list從1號(hào)元素開始的所有元素的和。最后，需要將結(jié)果寫回文件，所以，文件的打開方式應(yīng)為“r+”。6.3Python中的文件操作——經(jīng)驗(yàn)談2023/7/26Dr.沙行勉70經(jīng)驗(yàn)談open（）與close（）成對(duì)出現(xiàn)：在使用文件操作時(shí)，首先需要使用open（）打開文件，每次對(duì)文件操作完成后，不要遺忘c(diǎn)lose（）操作，將打開并操作完成的文件關(guān)閉。養(yǎng)成這個(gè)習(xí)慣可以避免程序出現(xiàn)很多奇怪的BUG。事實(shí)上，每個(gè)進(jìn)程打開文件的數(shù)量是有限的，每次系統(tǒng)打開文件后會(huì)占用一個(gè)文件描述符，而關(guān)閉文件時(shí)會(huì)釋放這個(gè)文件描述符，以便系統(tǒng)打開其它文件。6.4學(xué)生實(shí)例的擴(kuò)展2023/7/26Dr.沙行勉71回顧本書第四章里Python面向?qū)ο缶幊虒?shí)例，該例中實(shí)現(xiàn)了學(xué)生類與課程類，以及模擬考試等內(nèi)容。但是每一學(xué)期的信息不能只在Python運(yùn)行一次就結(jié)束，因此需要將學(xué)期結(jié)束后學(xué)生信息保存到文件，以方便管理。對(duì)于統(tǒng)計(jì)后的成績(jī)，需要為班主任查詢學(xué)生成績(jī)信息的接口，也要為學(xué)生提供個(gè)人成績(jī)查詢的接口。本小節(jié)將實(shí)現(xiàn)一些常用的功能，例如班主任要查看GPA小于3.0的同學(xué)，或者選擇學(xué)分不足13學(xué)分的學(xué)生等操作。首先，以下程序?qū)W(xué)生考試結(jié)果存儲(chǔ)到命名為班級(jí)1的文件class1.txt中：根據(jù)文件操作相關(guān)方法，先將需要存入文件的內(nèi)容存放至一個(gè)list（SaveToFile變量）中。然后使用open打開文件，設(shè)置為w模式，即文件打開可以進(jìn)行寫操作。接著，通過SaveToFile，將內(nèi)容寫入到打開的文件中。最后關(guān)閉所打開的文件。6.4學(xué)生實(shí)例的擴(kuò)展——存儲(chǔ)考試結(jié)果2023/7/26Dr.沙行勉72#<程序：存儲(chǔ)考試結(jié)果到class1.txt文件>…… #第四章<程序：學(xué)生數(shù)據(jù)庫主程序>SaveToFile=["ID","","Name","","Credit","","GPA","\n"]forstuinStudentDict.values(): SaveTo(str(stu.StuID)) SaveTo("") SaveTo(str()) SaveTo("") SaveTo(str(stu.Credit)) SaveTo("") SaveTo(str(stu.GPA)) SaveTo("\n")f=open("class1.txt","w")f.writelines(SaveToFile)f.close()請(qǐng)注意程序中StudentDict.values()返回的是

class'dict_values'，即dict_values對(duì)象。該對(duì)象支持遍歷（iterable）但不支持索引（indexable）。也就是說，可以使用for循環(huán)進(jìn)行遍歷，但是不能使用下標(biāo)操作（索引）。在第四章中，因?yàn)?/p>