教學(xué)課件：《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理》(第2版)王萬森

第一章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的定義1.2操作系統(tǒng)的形成過程1.3操作系統(tǒng)的基本類型1.4操作系統(tǒng)的特征1.5操作系統(tǒng)的服務(wù)1.6操作系統(tǒng)的功能1.7操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1操作系統(tǒng)的定義1.1.1操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)觀點(diǎn)用戶1用戶2用戶3用戶4…應(yīng)用程序命令解釋程序、編譯程序、編輯程序等操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件（裸機(jī)）1.1.2操作系統(tǒng)的資源管理觀點(diǎn)

在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常都含有各種各樣的硬件和軟件資源。歸納起來可將資源分為四類：處理器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備以及信息（數(shù)據(jù)和程序）。相應(yīng)地，OS的主要功能也正是針對(duì)這四類資源進(jìn)行有效的管理，即：處理機(jī)管理，用于分配和控制處理機(jī)；存儲(chǔ)器管理，主要負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配與回收；I/O設(shè)備管理，負(fù)責(zé)I/O設(shè)備的分配與操縱；文件管理，負(fù)責(zé)文件的存取、共享和保護(hù)。可見，OS確是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者。這是從管理者的角度來看。OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。或者說，用戶在OS幫助下，能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計(jì)算機(jī)硬件和運(yùn)行自己的程序。應(yīng)注意，OS是一個(gè)系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口。

從用戶角度來看。1.1.3操作系統(tǒng)的用戶服務(wù)觀點(diǎn)(1)命令輸入。形式又分為以下幾種：命令行（CommandLineInput）：由OS提供的一組聯(lián)機(jī)命令（語言），用戶可通過鍵盤輸入有關(guān)命令，來直接操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖形用戶界面（GUI）：用戶通過顯示設(shè)備上的窗口和圖標(biāo)來操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。自然輸入方式（NUI）：用戶通過語音識(shí)別輸入來操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。

(2)系統(tǒng)調(diào)用方式（SystemCall）。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在自己的應(yīng)用程序中通過相應(yīng)的使用編程調(diào)用（API），來操縱計(jì)算機(jī)。

在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，并具有并發(fā)性。并發(fā)會(huì)引起資源的競爭、共享等制約和配合等問題。從并發(fā)過程的執(zhí)行來討論操作系統(tǒng)就是從進(jìn)程角度的觀點(diǎn)來觀察操作系統(tǒng)。

1.1.4操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理觀點(diǎn)1.2操作系統(tǒng)的形成過程1.2.1人工操作階段

從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC誕生(1945年2月)到50年代中期的計(jì)算機(jī)，屬于第一代。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)：

(1)用戶獨(dú)占全機(jī)

(2)串行工作

(3)CPU等待人工干預(yù)1.2.2單道批處理階段1.早期批處理2.脫機(jī)批處理這種脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：減少了CPU的空閑時(shí)間。(2)提高I/O速度。

當(dāng)引入中斷和通道技術(shù)后，計(jì)算機(jī)具備了處理機(jī)和外部設(shè)備并行操作的能力。執(zhí)行系統(tǒng)包含：

(1)IO控制程序

(2)中斷處理程序

(3)管理程序3.執(zhí)行系統(tǒng)階段1.2.3多道程序系統(tǒng)階段

1.多道程序設(shè)計(jì)的基本概念多道程序技術(shù)的主要思想是在內(nèi)存中同時(shí)放入若干道用戶作業(yè)或者說若干道用戶程序，并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各種硬件與軟件資源。多道程序系統(tǒng)不僅使CPU得到了充分利用，還改善了I/O設(shè)備和內(nèi)存的利用率。2.多道程序設(shè)計(jì)需要妥善解決的問題

內(nèi)存的分配和保護(hù)處理機(jī)的管理和分配I/O設(shè)備的管理和分配文件存儲(chǔ)空間的組織與管理1.2.4進(jìn)一步發(fā)展階段

微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)指配置在微型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)。目前比較流行的微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)有單用戶多任務(wù)（如Microsoft的Windows系列個(gè)人用戶版操作系統(tǒng)）和多用戶多任務(wù)（如SUN公司的Solaris系列操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)等）兩種類型。1.微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是配置在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是使網(wǎng)絡(luò)上各計(jì)算機(jī)能方便而有效地共享網(wǎng)絡(luò)資源，并為網(wǎng)絡(luò)用戶提供所需的各種服務(wù)的軟件和有關(guān)規(guī)程的集合。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)應(yīng)具有通用操作系統(tǒng)所具有的處理及管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理外，還應(yīng)具有高效可靠的網(wǎng)絡(luò)通信能力和各種有效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。2.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

分布式操作系統(tǒng)是配置在分布式計(jì)算機(jī)上的一種操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的最主要區(qū)別是系統(tǒng)對(duì)用戶的透明性。在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，用戶通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的名稱來獲得資源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)用戶是不透明的；在分布式操作系統(tǒng)中，用戶只需通過服務(wù)的名稱即可獲得資源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)用戶是透明的。3.分布式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)大多用于機(jī)電設(shè)備、儀器等專用控制方面，并具有十分廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。4.嵌入式操作系統(tǒng)1.3操作系統(tǒng)的基本類型1.3.1多道批處理系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)實(shí)際上是批處理技術(shù)和多道程序技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初期。

1.運(yùn)行方式：2.多道批處理系統(tǒng)的特征多道性。(2)無序性。(3)調(diào)度性。3.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)資源利用率高。(2)系統(tǒng)吞吐量大。(3)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長。(4)無交互能力。1.3.2分時(shí)系統(tǒng)1.分時(shí)系統(tǒng)(Time-SharingSystem)的產(chǎn)生如果說，推動(dòng)多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，則是用戶的需求。或者說，分時(shí)系統(tǒng)是為了滿足用戶需求所形成的一種新型OS。它與多道批處理系統(tǒng)之間，有著截然不同的性能差別。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)人—機(jī)交互。

(2)共享主機(jī)。

(3)便于用戶上機(jī)。2.分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題

為實(shí)現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)，其中，最關(guān)鍵的問題是如何使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，即當(dāng)用戶在自己的終端上鍵入命令時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)接收并及時(shí)處理該命令，再將結(jié)果返回給用戶。此后，用戶可繼續(xù)鍵入下一條命令，此即人—機(jī)交互。應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，即使有多個(gè)用戶同時(shí)通過自己的鍵盤鍵入命令，系統(tǒng)也應(yīng)能全部地及時(shí)接收并處理，評(píng)價(jià)其性能好壞的主要指標(biāo)是響應(yīng)時(shí)間。(1)及時(shí)接收。(2)及時(shí)處理。3.分時(shí)系統(tǒng)的特征多路性。(2)獨(dú)立性。(3)及時(shí)性。(4)交互性。1.3.3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-TimeSystem)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。1.實(shí)時(shí)系統(tǒng)的類型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

(2)實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)。2.實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征

多路性。(2)獨(dú)立性。(3)及時(shí)性。(4)交互性。(5)可靠性。1.3.4通用操作系統(tǒng)

批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)只是3種基本的操作系統(tǒng)類型，一個(gè)實(shí)際的操作系統(tǒng)則可能同時(shí)兼有其中三者或兩者的功能，如果一個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)具有其中兩者或兩者以上的功能，則稱為通用操作系統(tǒng)1.4操作系統(tǒng)的基本特性1并發(fā)(Concurrence)

并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念，并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(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)刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。倘若在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)處理機(jī)，則這些可以并發(fā)執(zhí)行的程序便可被分配到多個(gè)處理機(jī)上，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行，即利用每個(gè)處理機(jī)來處理一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序，這樣，多個(gè)程序便可同時(shí)執(zhí)行。2共享(Sharing)

在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程(線程)共同使用。由于資源屬性的不同，進(jìn)程對(duì)資源共享的方式也不同，目前主要有以下兩種資源共享方式。(1).互斥共享方式

系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提供給多個(gè)進(jìn)程(線程)使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程(線程)訪問該資源。為此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程A要訪問某資源時(shí)，必須先提出請(qǐng)求，如果此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給請(qǐng)求進(jìn)程A使用，此后若再有其它進(jìn)程也要訪問該資源時(shí)(只要A未用完)則必須等待。僅當(dāng)A進(jìn)程訪問完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)程對(duì)該資源進(jìn)行訪問。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享，而把在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為臨界資源或獨(dú)占資源。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備，以及某些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們要求被互斥地共享。

(2).同時(shí)訪問方式

系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”對(duì)它們進(jìn)行訪問。這里所謂的“同時(shí)”往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對(duì)該資源進(jìn)行訪問。典型的可供多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”訪問的資源是磁盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件，也可以被“同時(shí)”共享，即若干個(gè)用戶同時(shí)訪問該文件。并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征，它們又是互為存在的條件。一方面，資源共享是以程序(進(jìn)程)的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；另一方面，若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。

3虛擬(Virtual)

操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術(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(前者)是實(shí)的，即實(shí)際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。相應(yīng)地，用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在OS中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬內(nèi)存、虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等。

在虛擬處理機(jī)技術(shù)中，是通過多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時(shí)使用一臺(tái)處理機(jī)的。此時(shí)，雖然只有一臺(tái)處理機(jī)，但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，使每個(gè)終端用戶都認(rèn)為是有一個(gè)CPU在專門為他服務(wù)。亦即，利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，把一臺(tái)物理上的CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU，也稱為虛擬處理機(jī)，我們把用戶所感覺到的CPU稱為虛擬處理器。

類似地，可以通過虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，將一臺(tái)機(jī)器的物理存儲(chǔ)器變?yōu)樘摂M存儲(chǔ)器，以便從邏輯上來擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。此時(shí)，雖然物理內(nèi)存的容量可能不大(如32MB)，但它可以運(yùn)行比它大得多的用戶程序(如128MB)。這使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多，認(rèn)為該機(jī)器的內(nèi)存至少也有128MB。當(dāng)然這時(shí)用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶所感覺到的存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。

我們還可以通過虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺(tái)物理I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，這樣便可使原來僅允許在一段時(shí)間內(nèi)由一個(gè)用戶訪問的設(shè)備(即臨界資源)，變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問的共享設(shè)備。例如，原來的打印機(jī)屬于臨界資源，而通過虛擬設(shè)備技術(shù)，可以把它變?yōu)槎嗯_(tái)邏輯上的打印機(jī)，供多個(gè)用戶“同時(shí)”打印。此外，也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道(虛信道)。在操作系統(tǒng)中，虛擬的實(shí)現(xiàn)主要是通過分時(shí)使用的方法。顯然，如果n是某物理設(shè)備所對(duì)應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的平均速度必然是物理設(shè)備速度的1/n。

4異步性(Asynchronism)

在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但只有進(jìn)程在獲得所需的資源后方能執(zhí)行。在單處理機(jī)環(huán)境下，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)處理機(jī)，因而每次只允許一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，其余進(jìn)程只能等待。當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程提出某種資源要求時(shí)，如打印請(qǐng)求，而此時(shí)打印機(jī)正在為其它某進(jìn)程打印，由于打印機(jī)屬于臨界資源，因此正在執(zhí)行的進(jìn)程必須等待，且放棄處理機(jī)，直到打印機(jī)空閑，并再次把處理機(jī)分配給該進(jìn)程時(shí)，該進(jìn)程方能繼續(xù)執(zhí)行?？梢?，由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是“一氣呵成”，而是以“停停走走”的方式運(yùn)行。

內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)能獲得處理機(jī)運(yùn)行，何時(shí)又因提出某種資源請(qǐng)求而暫停，以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需多少時(shí)間才能完成，等等，都是不可預(yù)知的。由于各用戶程序性能的不同，比如，有的側(cè)重于計(jì)算而較少需要I/O；而又有的程序其計(jì)算少而I/O多，這樣，很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成；而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成。或者說，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性。盡管如此，但只要運(yùn)行環(huán)境相同，作業(yè)經(jīng)多次運(yùn)行，都會(huì)獲得完全相同的結(jié)果。因此，異步運(yùn)行方式是允許的，是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。1.5操作系統(tǒng)的服務(wù)1.5.1操作系統(tǒng)的公共服務(wù)程序執(zhí)行I/O操作文件系統(tǒng)管理通信資源分配差錯(cuò)處理1.5.2操作系統(tǒng)的服務(wù)方式系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)程序1.6操作系統(tǒng)的功能1.6.1用戶接口1.命令接口(1)聯(lián)機(jī)用戶接口。這是為聯(lián)機(jī)用戶提供的，它由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序所組成。當(dāng)用戶在終端或控制臺(tái)上每鍵入一條命令后，系統(tǒng)便立即轉(zhuǎn)入命令解釋程序，對(duì)該命令加以解釋并執(zhí)行該命令。在完成指定功能后，控制又返回到終端或控制臺(tái)上，等待用戶鍵入下一條命令。這樣，用戶可通過先后鍵入不同命令的方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)的控制，直至作業(yè)完成。(2)脫機(jī)用戶接口。該接口是為批處理作業(yè)的用戶提供的，故也稱為批處理用戶接口。該接口由一組作業(yè)控制語言JCL組成。批處理作業(yè)的用戶不能直接與自己的作業(yè)交互作用，只能委托系統(tǒng)代替用戶對(duì)作業(yè)進(jìn)行控制和干預(yù)。這里的作業(yè)控制語言JCL便是提供給批處理作業(yè)用戶的、為實(shí)現(xiàn)所需功能而委托系統(tǒng)代為控制的一種語言。用戶用JCL把需要對(duì)作業(yè)進(jìn)行的控制和干預(yù)，事先寫在作業(yè)說明書上，然后將作業(yè)連同作業(yè)說明書一起提供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度到該作業(yè)運(yùn)行時(shí)，又調(diào)用命令解釋程序，對(duì)作業(yè)說明書上的命令，逐條地解釋執(zhí)行。如果作業(yè)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)也將根據(jù)作業(yè)說明書上的指示進(jìn)行干預(yù)。這樣，作業(yè)一直在作業(yè)說明書的控制下運(yùn)行，直至遇到作業(yè)結(jié)束語句時(shí)，系統(tǒng)才停止該作業(yè)的運(yùn)行。2.程序接口該接口是為用戶程序在執(zhí)行中訪問系統(tǒng)資源而設(shè)置的，是用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的惟一途徑。它是由一組系統(tǒng)調(diào)用組成，每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都是一個(gè)能完成特定功能的子程序，每當(dāng)應(yīng)用程序要求OS提供某種服務(wù)(功能)時(shí)，便調(diào)用具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)調(diào)用。早期的系統(tǒng)調(diào)用都是用匯編語言提供的，只有在用匯編語言書寫的程序中，才能直接使用系統(tǒng)調(diào)用；但在高級(jí)語言以及C語言中，往往提供了與各系統(tǒng)調(diào)用一一對(duì)應(yīng)的庫函數(shù)，這樣，應(yīng)用程序便可通過調(diào)用對(duì)應(yīng)的庫函數(shù)來使用系統(tǒng)調(diào)用。但在近幾年所推出的操作系統(tǒng)中，如UNIX、OS/2版本中，其系統(tǒng)調(diào)用本身已經(jīng)采用C語言編寫，并以函數(shù)形式提供，故在用C語言編制的程序中，可直接使用系統(tǒng)調(diào)用。3.圖形用戶接口用戶雖然可以通過聯(lián)機(jī)用戶接口來取得OS的服務(wù)，但這時(shí)要求用戶能熟記各種命令的名字和格式，并嚴(yán)格按照規(guī)定的格式輸入命令，這既不方便又花時(shí)間，于是，圖形用戶接口便應(yīng)運(yùn)而生。圖形用戶接口采用了圖形化的操作界面，用非常容易識(shí)別的各種圖標(biāo)(icon)來將系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、各種應(yīng)用程序和文件，直觀、逼真地表示出來。用戶可用鼠標(biāo)或通過菜單和對(duì)話框，來完成對(duì)應(yīng)用程序和文件的操作。此時(shí)用戶已完全不必像使用命令接口那樣去記住命令名及格式，從而把用戶從繁瑣且單調(diào)的操作中解脫出來。1.6.2處理機(jī)管理功能1.進(jìn)程控制

在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下，要使作業(yè)運(yùn)行，必須先為它創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程，并為之分配必要的資源。當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束時(shí)，立即撤消該進(jìn)程，以便能及時(shí)回收該進(jìn)程所占用的各類資源。進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程、撤消已結(jié)束的進(jìn)程，以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在現(xiàn)代OS中，進(jìn)程控制還應(yīng)具有為一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建若干個(gè)線程的功能和撤消(終止)已完成任務(wù)的線程的功能。

2.進(jìn)程同步

為使多個(gè)進(jìn)程能有條不紊地運(yùn)行，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個(gè)進(jìn)程(含線程)的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)。有兩種協(xié)調(diào)方式：①進(jìn)程互斥方式，這是指諸進(jìn)程(線程)在對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問時(shí)，應(yīng)采用互斥方式；②進(jìn)程同步方式，指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程)間，由同步機(jī)構(gòu)對(duì)它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步，系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制。最簡單的用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的機(jī)制，是為每一個(gè)臨界資源配置一把鎖W，當(dāng)鎖打開時(shí)，進(jìn)程(線程)可以對(duì)該臨界資源進(jìn)行訪問；而當(dāng)鎖關(guān)上時(shí)，則禁止進(jìn)程(線程)訪問該臨界資源。

3.進(jìn)程通信

在多道程序環(huán)境下，為了加速應(yīng)用程序的運(yùn)行，應(yīng)在系統(tǒng)中建立多個(gè)進(jìn)程，并且再為一個(gè)進(jìn)程建立若干個(gè)線程，由這些進(jìn)程(線程)相互合作去完成一個(gè)共同的任務(wù)。而在這些進(jìn)程(線程)之間，又往往需要交換信息。例如，有三個(gè)相互合作的進(jìn)程，它們是輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)程。輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算進(jìn)程；計(jì)算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后，由打印進(jìn)程把計(jì)算結(jié)果打印出來。進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實(shí)現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息交換。當(dāng)相互合作的進(jìn)程(線程)處于同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通常在它們之前是采用直接通信方式，即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息(message)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列上，以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊(duì)列中取出消息。4.調(diào)度

在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)作業(yè)，通常都要經(jīng)過調(diào)度才能執(zhí)行。在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步。作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù)，是從后備隊(duì)列中按照一定的算法，選擇出若干個(gè)作業(yè)，為它們分配其必需的資源(首先是分配內(nèi)存)。在將它們調(diào)入內(nèi)存后，便分別為它們建立進(jìn)程，使它們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程，并按照一定的算法將它們插入就緒隊(duì)列。而進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)，則是從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中選出一新進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它，并為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場，使進(jìn)程投入執(zhí)行。值得提出的是，在多線程OS中，通常是把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和分配處理機(jī)的基本單位，為此，須把就緒線程排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，是從就緒線程隊(duì)列中選出一個(gè)線程，把處理機(jī)分配給它。

1.6.3存儲(chǔ)管理1.內(nèi)存分配

OS在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí)，可采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。在靜態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時(shí)確定的；在作業(yè)裝入后的整個(gè)運(yùn)行期間，不允許該作業(yè)再申請(qǐng)新的內(nèi)存空間，也不允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動(dòng)”；在動(dòng)態(tài)分配方式中，每個(gè)作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間，也是在裝入時(shí)確定的，但允許作業(yè)在運(yùn)行過程中，繼續(xù)申請(qǐng)新的附加內(nèi)存空間，以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增漲，也允許作業(yè)在內(nèi)存中“移動(dòng)”。

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，在內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能：

①內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況，作為內(nèi)存分配的依據(jù)；

②內(nèi)存分配功能，系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法，為用戶程序分配內(nèi)存空間；

③內(nèi)存回收功能，系統(tǒng)對(duì)于用戶不再需要的內(nèi)存，通過用戶的釋放請(qǐng)求，去完成系統(tǒng)的回收功能。

2.內(nèi)存保護(hù)

內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù)，是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行，彼此互不干擾。為了確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行，必須設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。一種比較簡單的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，是設(shè)置兩個(gè)界限寄存器，分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界。系統(tǒng)須對(duì)每條指令所要訪問的地址進(jìn)行檢查，如果發(fā)生越界，便發(fā)出越界中斷請(qǐng)求，以停止該程序的執(zhí)行。如果這種檢查完全用軟件實(shí)現(xiàn)，則每執(zhí)行一條指令，便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查，這將顯著降低程序的運(yùn)行速度。因此，越界檢查都由硬件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，對(duì)發(fā)生越界后的處理，還須與軟件配合來完成。

3.地址映射

一個(gè)應(yīng)用程序(源程序)經(jīng)編譯后，通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接便形成了可裝入程序。這些程序的地址都是從“0”開始的，程序中的其它地址都是相對(duì)于起始地址計(jì)算的；由這些地址所形成的地址范圍稱為“地址空間”，其中的地址稱為“邏輯地址”或“相對(duì)地址”。此外，由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為“內(nèi)存空間”，其中的地址稱為“物理地址”。在多道程序環(huán)境下，每道程序不可能都從“0”地址開始裝入(內(nèi)存)，這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不相一致。使程序能正確運(yùn)行，存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能，以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址。該功能應(yīng)在硬件的支持下完成。4.內(nèi)存擴(kuò)充

存儲(chǔ)器管理中的內(nèi)存擴(kuò)充任務(wù)，并非是去擴(kuò)大物理內(nèi)存的容量，而是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量，使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多；或者是讓更多的用戶程序能并發(fā)運(yùn)行。這樣，既滿足了用戶的需要，改善了系統(tǒng)的性能，又基本上不增加硬件投資。為了能在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制，用于實(shí)現(xiàn)下述各功能：

(1)請(qǐng)求調(diào)入功能。

(2)置換功能。1.6.4設(shè)備管理設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備，而設(shè)備管理的主要任務(wù)是，完成用戶進(jìn)程提出的I/O請(qǐng)求；為用戶進(jìn)程分配其所需的I/O設(shè)備；提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶使用I/O設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理、設(shè)備分配和設(shè)備處理，以及虛擬設(shè)備等功能。1.緩沖管理

CPU運(yùn)行的高速性和I/O低速性間的矛盾自計(jì)算機(jī)誕生時(shí)起便已存在。而隨著CPU速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更為突出，嚴(yán)重降低了CPU的利用率。如果在I/O設(shè)備和CPU之間引入緩沖，則可有效地緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量。因此，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，都毫無例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū)，而且還可通過增加緩沖區(qū)容量的方法，來改善系統(tǒng)的性能。最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制、能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制，以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖池機(jī)制。

2.設(shè)備分配

設(shè)備分配的基本任務(wù)，是根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O請(qǐng)求、系統(tǒng)的現(xiàn)有資源情況以及按照某種設(shè)備分配策略，為之分配其所需的設(shè)備。如果在I/O設(shè)備和CPU之間，還存在著設(shè)備控制器和I/O通道時(shí)，還須為分配出去的設(shè)備分配相應(yīng)的控制器和通道。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配，系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置設(shè)備控制表、控制器控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄設(shè)備及控制器的標(biāo)識(shí)符和狀態(tài)。據(jù)這些表格可以了解指定設(shè)備當(dāng)前是否可用，是否忙碌，以供進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)參考。在進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同的設(shè)備類型而采用不同的設(shè)備分配方式。對(duì)于獨(dú)占設(shè)備(臨界資源)的分配，還應(yīng)考慮到該設(shè)備被分配出去后，系統(tǒng)是否安全。設(shè)備使用完后，還應(yīng)立即由系統(tǒng)回收。

3.設(shè)備處理

設(shè)備處理程序又稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其基本任務(wù)是用于實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，即由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收從控制器發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。處理過程是：設(shè)備處理程序首先檢查I/O請(qǐng)求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)是否是空閑的，了解有關(guān)的傳遞參數(shù)及設(shè)置設(shè)備的工作方式。然后，便向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)由控制器發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)該中斷請(qǐng)求的類型，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。對(duì)于設(shè)置了通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，設(shè)備處理程序還應(yīng)能根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。1.6.5文件管理1.文件存儲(chǔ)空間的管理

由文件系統(tǒng)對(duì)諸多文件及文件的存儲(chǔ)空間，實(shí)施統(tǒng)一的管理。其主要任務(wù)是為每個(gè)文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的運(yùn)行速度。為此，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄文件存儲(chǔ)空間的使用情況，以供分配存儲(chǔ)空間時(shí)參考；系統(tǒng)還應(yīng)具有對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配和回收的功能。為了提高存儲(chǔ)空間的利用率，對(duì)存儲(chǔ)空間的分配，通常是采用離散分配方式，以減少外存零頭，并以盤塊為基本分配單位。盤塊的大小通常為512B~8KB。

2.目錄管理

為了使用戶能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)目錄項(xiàng)。目錄項(xiàng)包括文件名、文件屬性、文件在磁盤上的物理位置等。由若干個(gè)目錄項(xiàng)又可構(gòu)成一個(gè)目錄文件。目錄管理的主要任務(wù)，是為每個(gè)文件建立其目錄項(xiàng)，并對(duì)眾多的目錄項(xiàng)加以有效的組織，以實(shí)現(xiàn)方便的按名存取。即用戶只須提供文件名，即可對(duì)該文件進(jìn)行存取。其次，目錄管理還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)文件共享，這樣，只須在外存上保留一份該共享文件的副本。此外，還應(yīng)能提供快速的目錄查詢手段，以提高對(duì)文件的檢索速度。3.文件的讀/寫管理和保護(hù)

(1)文件的讀/寫管理。該功能是根據(jù)用戶的請(qǐng)求，從外存中讀取數(shù)據(jù)；或?qū)?shù)據(jù)寫入外存。在進(jìn)行文件讀(寫)時(shí)，系統(tǒng)先根據(jù)用戶給出的文件名，去檢索文件目錄，從中獲得文件在外存中的位置。然后，利用文件讀(寫)指針，對(duì)文件進(jìn)行讀(寫)。一旦讀(寫)完成，便修改讀(寫)指針，為下一次讀(寫)做好準(zhǔn)備。由于讀和寫操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故可合用一個(gè)讀/寫指針。

(2)文件保護(hù)。①防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件；②防止冒名頂替存取文件；③防止以不正確的方式使用文件。1.7操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.7.1整體式系統(tǒng)

整體式結(jié)構(gòu)是早期操作系統(tǒng)和一些較小的操作系統(tǒng)所采用的一種結(jié)構(gòu)模式。它實(shí)際上是沒有結(jié)構(gòu)的，整個(gè)系統(tǒng)是一堆過程的集合，每個(gè)過程都可以隨意調(diào)用其他過程。整體式系統(tǒng)提供了兩種處理機(jī)模式：

(1)用戶態(tài)（運(yùn)行用戶程序）

(2)核心態(tài)（運(yùn)行操作系統(tǒng)）

整體式系統(tǒng)也存在一些很低的結(jié)構(gòu)化，一般來說，其所有過程可大致分為3層：最高層：主程序，調(diào)用所需的服務(wù)過程中間層：一組服務(wù)過程，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用最底層：一組公共過程，用來支持各服務(wù)過程1.7.2層次式系統(tǒng)

層次系統(tǒng)是指按照操作系統(tǒng)中模塊的功能和相互依存關(guān)系將其劃分為若干個(gè)層次，除最底層模塊外，任一層模塊都建立在下一層模塊的基礎(chǔ)上，即任一層模塊都只能調(diào)用其下層模塊來得到服務(wù)，而不能調(diào)用其上層模塊。層次式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.7.3客戶/服務(wù)器系統(tǒng)

在客戶/服務(wù)器系統(tǒng)中，需要把操作系統(tǒng)的服務(wù)功能劃分為若干個(gè)服務(wù)進(jìn)程，并讓這些進(jìn)程在用戶態(tài)下運(yùn)行。其中的每一個(gè)服務(wù)進(jìn)程稱為一個(gè)服務(wù)器，如內(nèi)存服務(wù)器、進(jìn)程服務(wù)器、終端服務(wù)器、文件服務(wù)器等。用戶進(jìn)程則稱為客戶進(jìn)程。客戶/服務(wù)器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

客戶/服務(wù)器系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有兩方面。第一，提高系統(tǒng)的可靠性。由于每個(gè)服務(wù)器都以獨(dú)立的用戶態(tài)進(jìn)程方式運(yùn)行，因此，當(dāng)單個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)引起操作系統(tǒng)其他部分的崩潰。第二，適合于分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用。如果一個(gè)客戶與一個(gè)服務(wù)器通信，當(dāng)客戶把請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器后，不必知道該請(qǐng)求是在本地計(jì)算機(jī)上處理，還是通過網(wǎng)絡(luò)被發(fā)送到其他計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。第二章操作系統(tǒng)用戶接口2.1用戶接口概述2.2命令接口2.3程序接口2.4圖形接口2.1用戶接口概述2.1.1程序的執(zhí)行和作業(yè)的概念計(jì)算機(jī)編程解題過程

作業(yè)：就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按指定的步驟，為用戶一次業(yè)務(wù)處理所完成的全部工作的總和。從程序運(yùn)行的角度看，作業(yè)又由一些相對(duì)獨(dú)立的順序執(zhí)行的步驟所組成，這些相對(duì)獨(dú)立的執(zhí)行步驟通常被稱為作業(yè)步。從系統(tǒng)管理角度看，作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書3部分組成。作業(yè)包含的程序和數(shù)據(jù)完成用戶所要求的業(yè)務(wù)處理工作，作業(yè)說明書則體現(xiàn)用戶的控制意圖。作業(yè)說明書包含3個(gè)方面的內(nèi)容，即作業(yè)的基本描述、作業(yè)控制描述和資源要求描述2.1.2作業(yè)管理概述

作業(yè)管理是指當(dāng)一個(gè)用戶的作業(yè)提交給系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)對(duì)其實(shí)施的所有管理和控制工作。其主要任務(wù)包括建立作業(yè)，提供必需的資源系統(tǒng)，控制其開始運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束后撤銷該作業(yè)。這些任務(wù)可分為兩類：(1)作業(yè)控制：主要討論系統(tǒng)通過何種方式使用戶方便地描述和控制解題過程，或者說操作系統(tǒng)為用戶提供了什么樣的接口，用戶又如何利用這些接口使用計(jì)算機(jī)。也稱為操作系統(tǒng)的用戶接口(2)作業(yè)調(diào)度：包括作業(yè)的進(jìn)入、調(diào)度算法的選擇、為選中的作業(yè)分配系統(tǒng)資源及作業(yè)完成后的善后處理等2.2命令接口2.2.1脫機(jī)命令接口

脫機(jī)命令接口是操作系統(tǒng)為脫機(jī)工作方式下的用戶提供的一種接口。在這種方式下，用戶必須事先將作業(yè)的指令、執(zhí)行順序以及出錯(cuò)的處理方法等以作業(yè)說明書或命令文件的方式交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)按作業(yè)說明書或命令文件所規(guī)定的順序控制作業(yè)的執(zhí)行。

在脫機(jī)工作方式下，用戶利用作業(yè)語言(JCL)來編寫表示用戶控制意圖的作業(yè)控制程序。JCL語句功能包括：(1)對(duì)作業(yè)進(jìn)行標(biāo)識(shí)、說明并給出一組調(diào)度參數(shù)(包括記帳號(hào)、用戶名、作業(yè)類別、時(shí)間限制、存儲(chǔ)空間要求、作業(yè)優(yōu)先級(jí)等)(2)對(duì)資源的申請(qǐng)要求(3)對(duì)程序及數(shù)據(jù)的控制功能(4)轉(zhuǎn)移控制(5)調(diào)試功能(6)標(biāo)識(shí)各種事件(包括錯(cuò)誤、設(shè)備故障等)及與之相關(guān)的條件轉(zhuǎn)移(7)視線設(shè)備獨(dú)立性功能的語句(8)作業(yè)撤離語句2.2.2聯(lián)機(jī)命令接口1.鍵盤命令方式系統(tǒng)訪問類命令系統(tǒng)管理類命令文件管理類命令編輯、編譯、鏈接及運(yùn)行類命令系統(tǒng)查詢類命令通信類命令資源請(qǐng)求類命令2.命令文件方式所謂命令文件方式，即用鍵盤命令語言編寫一個(gè)鍵盤命令語言程序——命令文件。建立命令文件后，系統(tǒng)可連續(xù)執(zhí)行若干條命令并且可以多次重復(fù)執(zhí)行。在命令文件中可以進(jìn)行參數(shù)傳遞，也可以以嵌套的方式調(diào)用其他命令文件。2.3程序接口2.3.1系統(tǒng)調(diào)用概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種資源必須由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理。通常，在操作系統(tǒng)的內(nèi)核中都設(shè)置了一組用于實(shí)現(xiàn)各種特定系統(tǒng)功能的子程序(過程)，并將它們提供給應(yīng)用程序調(diào)用。這樣，在編程過程中，需要系統(tǒng)完成特定的功能時(shí)，即可調(diào)用系統(tǒng)中特定的子程序完成，這就是系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用與一般過程調(diào)用的區(qū)別運(yùn)行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，程序的運(yùn)行態(tài)分為兩種：核心態(tài)和用戶態(tài)。在一般的過程調(diào)用中，調(diào)用程序和被調(diào)用程序都運(yùn)行在相同的狀態(tài)——核心態(tài)或用戶態(tài)。系統(tǒng)調(diào)用與一般調(diào)用最大區(qū)別就在于：調(diào)用程序(用戶程序)運(yùn)行在用戶態(tài)，而被調(diào)用程序運(yùn)行在核心態(tài)。

通過軟中斷進(jìn)入運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，由于調(diào)用和被調(diào)用過程工作在不同的系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)被調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用子程序是操作系統(tǒng)程序模塊的一部分，不允許用戶程序直接訪問，因而不允許調(diào)用過程直接轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程。當(dāng)用戶使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，通常都是通過軟中斷機(jī)制產(chǎn)生一條相應(yīng)的指令，處理機(jī)在執(zhí)行到該指令時(shí)發(fā)生相應(yīng)的中斷，并發(fā)出有關(guān)信號(hào)給處理機(jī)機(jī)制，該處理機(jī)制在收到處理機(jī)發(fā)來的信號(hào)后，啟動(dòng)相關(guān)的處理程序完成系統(tǒng)調(diào)用所要求的功能。2.3.2系統(tǒng)調(diào)用類型系統(tǒng)維護(hù)類調(diào)用設(shè)備管理類調(diào)用文件管理類調(diào)用進(jìn)程控制類調(diào)用進(jìn)程通信類調(diào)用存儲(chǔ)管理類調(diào)用2.3.3系統(tǒng)調(diào)用過程

由于在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)要用到相應(yīng)計(jì)算機(jī)的中斷系統(tǒng)，所以，系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程與計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。系統(tǒng)調(diào)用命令在執(zhí)行時(shí)可能需要做一些參數(shù)傳遞，實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞的方法有兩種：(1)訪管指令自帶參數(shù)(2)直接使用通用寄存器傳遞

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須為實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)調(diào)用的子程序編制入口地址表，每個(gè)入口地址都與相應(yīng)的子程序?qū)?yīng)起來。然后，由陷阱處理機(jī)構(gòu)把訪管指令中包含的功能號(hào)與該入口地址表中的有關(guān)項(xiàng)對(duì)應(yīng)起來，從而由系統(tǒng)調(diào)用功能號(hào)驅(qū)動(dòng)有關(guān)系統(tǒng)子程序執(zhí)行。

系統(tǒng)調(diào)用處理過程2.4圖形接口

通過操作系統(tǒng)的命令接口來控制計(jì)算機(jī)，用戶必須熟悉并能夠正確使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所提供的命令的名稱、功能和格式，因此增加了用戶使用計(jì)算機(jī)的難度。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，圖形用戶界面(GUI)應(yīng)運(yùn)而生。圖形接口向用戶提供了一種簡單、直觀地使用操作系統(tǒng)服務(wù)的方法，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，但這并不意味著基于字符方式的命令接口已經(jīng)退出了歷史舞臺(tái)。為了滿足不同層次人員的應(yīng)用需求，現(xiàn)代操作系統(tǒng)在提供圖形接口的同時(shí)，仍然支持命令接口的使用。

用戶接口一直是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中發(fā)展最快的一個(gè)部分。在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用戶只能通過讀卡機(jī)、卡片、紙帶機(jī)和紙帶等輸入控制命令，而且系統(tǒng)調(diào)用大都是以匯編語言或更低級(jí)的機(jī)器語言方式提供給編程人員，除了專業(yè)人員外，幾乎很少有人能夠使用計(jì)算機(jī)。

20世紀(jì)70年代，特別是80年代后，計(jì)算機(jī)軟件與硬件技術(shù)的發(fā)展帶來了輸入/輸出方式的巨大變化，大容量直接存取存儲(chǔ)器的出現(xiàn)使用戶可以直接把作業(yè)說明書通過鍵盤輸入計(jì)算機(jī)，并且可以把結(jié)果寫入文件系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代后推出新型操作系統(tǒng)，進(jìn)一步方便用戶使用計(jì)算機(jī)，又普遍增加了一種基于圖像的圖形用戶接口。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是Internet廣為流行的今天，又出現(xiàn)了一種面向網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)用戶接口第三章進(jìn)程管理

3.1進(jìn)程的基本概念3.2進(jìn)程的描述3.3進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3.4經(jīng)典控制3.5進(jìn)程互斥與同步3.6進(jìn)程間通信3.7線程的概念3.1進(jìn)程的基本概念3.1.1進(jìn)程的引入1.程序的順序執(zhí)行及其特性僅當(dāng)前一操作(程序段)執(zhí)行完后，才能執(zhí)行后繼操作。例如，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，總須先輸入用戶的程序和數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行計(jì)算，最后才能打印計(jì)算結(jié)果。

S1:a

∶=x+y;

S2:b

∶=a-5;

S3:c

∶=b+1;程序順序執(zhí)行時(shí)的特征：順序性：(2)封閉性：(3)可再現(xiàn)性：2程序的并發(fā)執(zhí)行及其特征

程序的并發(fā)執(zhí)行

在該例中存在下述前趨關(guān)系：

Ii→Ci，Ii→Ii+1,Ci→Pi,Ci→Ci+1，Pi→Pi+1而Ii+1和Ci及Pi-1是重迭的，亦即在Pi-1和Ci以及Ii+1之間，可以并發(fā)執(zhí)行。對(duì)于具有下述四條語句的程序段：

S1:a∶=x+2

S2:b∶=y+4

S3:c∶=a+b

S4:d∶=c+b程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)的特征：間斷性2)失去封閉性3)不可再現(xiàn)性

例如，有兩個(gè)循環(huán)程序A和B，它們共享一個(gè)變量N。程序A每執(zhí)行一次時(shí)，都要做N∶=N+1操作；程序B每執(zhí)行一次時(shí)，都要執(zhí)行Print(N)操作，然后再將N置成“0”。程序A和B以不同的速度運(yùn)行。

(1)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之前，此時(shí)得到的N值分別為n+1,n+1,0。

(2)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之后，此時(shí)得到的N值分別為n,0,1。

(3)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之間，此時(shí)得到的N值分別為n,n+1,0。3進(jìn)程的引入

由于程序在順序執(zhí)行時(shí)具有順序性、封閉性和可再現(xiàn)性，使程序和其執(zhí)行過程之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此程序這個(gè)靜態(tài)概念完全可以用來代替程序執(zhí)行過程中這個(gè)動(dòng)態(tài)概念。但是，程序的并發(fā)執(zhí)行破壞了程序順序執(zhí)行的特性，并產(chǎn)生了一些新的特點(diǎn)，使程序這個(gè)靜態(tài)概念不足以描述程序的執(zhí)行過程。因此，需要引入一個(gè)新的概念來描述程序的并發(fā)執(zhí)行過程，這個(gè)新的概念就是“進(jìn)程”。3.1.2進(jìn)程的定義和特征1.進(jìn)程的定義

較典型的進(jìn)程定義有：

(1)進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行。

(2)進(jìn)程是可以和別的計(jì)算并發(fā)執(zhí)行的計(jì)算。

(3)進(jìn)程可以定義為一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及能在其上執(zhí)行的一個(gè)程序。

(4)進(jìn)程是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)。

(5)進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。

在引入了進(jìn)程實(shí)體的概念后，我們可以把傳統(tǒng)OS中的進(jìn)程定義為：“進(jìn)程是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位”。2.進(jìn)程的特征結(jié)構(gòu)特征動(dòng)態(tài)性并發(fā)性獨(dú)立性異步性3.進(jìn)程與程序的聯(lián)系和區(qū)別進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，屬于動(dòng)態(tài)概念；而程序僅是指令的有序集合，屬于靜態(tài)概念進(jìn)程有一個(gè)生命周期，它的存在是暫時(shí)的；而程序的存在則是永久的。一個(gè)進(jìn)程可以執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)程序，一個(gè)程序可產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)程。3.2.1進(jìn)程控制塊

進(jìn)程控制塊(PCB)作為進(jìn)程實(shí)體的一個(gè)重要組成部分，包含了進(jìn)程的所有描述信息和控制信息，是系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程實(shí)施管理的唯一依據(jù)和系統(tǒng)能夠感知到進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。進(jìn)程控制塊和進(jìn)程之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，必須為其建立相應(yīng)的進(jìn)程控制塊；當(dāng)系統(tǒng)撤銷一個(gè)進(jìn)程時(shí)，又必須收回其進(jìn)程控制塊。由于進(jìn)程控制塊的重要性，幾乎所有的多道操作系統(tǒng)都是將其全部或部分駐留在內(nèi)存的。3.2進(jìn)程的描述

1.進(jìn)程描述信息

(1)進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。進(jìn)程標(biāo)識(shí)符也稱為進(jìn)程進(jìn)程名或進(jìn)程內(nèi)部名，是操作系統(tǒng)為每一個(gè)進(jìn)程所賦予的唯一內(nèi)部標(biāo)識(shí)，通常是一個(gè)進(jìn)程的序號(hào)，不同進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符不允許相同。系統(tǒng)每創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，都要給它分配一個(gè)空閑的進(jìn)程控制塊，并為之分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符。

(2)用戶標(biāo)識(shí)符。用戶標(biāo)識(shí)符也稱為進(jìn)程用戶名或進(jìn)程外部名，是進(jìn)程創(chuàng)建者為了增強(qiáng)進(jìn)程名的可讀性為進(jìn)程提供的一個(gè)名字

(3)家族聯(lián)系。在樹狀結(jié)構(gòu)的進(jìn)程系統(tǒng)中，進(jìn)程之間存在家族關(guān)系。因此，其進(jìn)程控制塊中應(yīng)有相應(yīng)的項(xiàng)來描述它們之間的家族聯(lián)系。通常，進(jìn)程的家族聯(lián)系是通過一個(gè)進(jìn)程指向其父進(jìn)程或子進(jìn)程的指針來實(shí)現(xiàn)的。

在PCB中還存放一些與進(jìn)程調(diào)度和進(jìn)程對(duì)換有關(guān)的信息，包括：①進(jìn)程狀態(tài)，指明進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，作為進(jìn)程調(diào)度和對(duì)換時(shí)的依據(jù)；②進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，用于描述進(jìn)程使用處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)別的一個(gè)整數(shù)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程應(yīng)優(yōu)先獲得處理機(jī)；③進(jìn)程調(diào)度所需的其它信息，它們與所采用的進(jìn)程調(diào)度算法有關(guān)，比如，進(jìn)程已等待CPU的時(shí)間總和、進(jìn)程已執(zhí)行的時(shí)間總和等；④事件，是指進(jìn)程由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事件，即阻塞原因。2.進(jìn)程調(diào)度信息

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程因?yàn)槟硞€(gè)事件而不能在CPU上繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，必須將自己的CPU現(xiàn)場信息保存在該進(jìn)程的進(jìn)程控制塊內(nèi)，以便其重新獲得CPU再次運(yùn)行時(shí)能夠恢復(fù)這些現(xiàn)場信息。通常這些被保護(hù)的CPU現(xiàn)場信息也稱為進(jìn)程上下文，主要包括：①通用寄存器信息。通用寄存器是用戶程序可以直接訪問的寄存器，包括數(shù)據(jù)寄存器和段寄存器。②程序狀態(tài)字(PSW)信息。PSW包含著程序的狀態(tài)信息，如條件碼、執(zhí)行方式、中斷屏蔽標(biāo)志等。③指令計(jì)數(shù)器(IC)信息。IC用于存放要訪問的下一條指令的地址。④用戶堆棧指針。用戶堆棧指針用于存放過程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址。3.進(jìn)程上下文

進(jìn)程控制信息包括：①程序和數(shù)據(jù)的地址，是指進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存或外存地(首)址，以便再調(diào)度到該進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，能從PCB中找到其程序和數(shù)據(jù)；②進(jìn)程同步和通信機(jī)制，指實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步和進(jìn)程通信時(shí)必需的機(jī)制，如消息隊(duì)列指針、信號(hào)量等，它們可能全部或部分地放在PCB中；③資源清單，是一張列出了除CPU以外的、進(jìn)程所需的全部資源及已經(jīng)分配到該進(jìn)程的資源的清單；④鏈接指針，它給出了本進(jìn)程(PCB)所在隊(duì)列中的下一個(gè)進(jìn)程的PCB的首地址。4.進(jìn)程控制信息3.2.2進(jìn)程控制塊的組織方式

1)鏈接方式2)索引方式3.3.1進(jìn)程的基本狀態(tài)就緒(Ready)狀態(tài)2)執(zhí)行狀態(tài)3)阻塞狀態(tài)3.3進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換

3.3.2進(jìn)程基本狀態(tài)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

活動(dòng)就緒→靜止就緒。(2)活動(dòng)阻塞→靜止阻塞。(3)靜止就緒→活動(dòng)就緒。(4)靜止阻塞→活動(dòng)阻塞。掛起狀態(tài)引入掛起狀態(tài)的原因

終端用戶的請(qǐng)求。(2)父進(jìn)程請(qǐng)求。(3)負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要。(4)操作系統(tǒng)的需要。3.4進(jìn)程控制3.4.1進(jìn)程控制機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)程的有效控制，操作系統(tǒng)必須建立一套控制機(jī)制，用于創(chuàng)建新進(jìn)程、撤銷執(zhí)行結(jié)束的進(jìn)程以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這套機(jī)制屬于操作系統(tǒng)的內(nèi)核，常駐內(nèi)存，其執(zhí)行過程通常是由一些原語來完成的。原語(primitive)，是指由若干條機(jī)器指令組成的，用于完成一定功能的一個(gè)過程，并且該過程的執(zhí)行是不可打斷的。原語和一般過程的主要區(qū)別在于，原語是原子操作。原子操作是指該操作一個(gè)不可分割的基本單位，要么全都執(zhí)行，要么全不執(zhí)行，中間不允許插入任何其他操作。3.4.2進(jìn)程控制原語進(jìn)程創(chuàng)建原語

(1)進(jìn)程創(chuàng)建的原因和方式。在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的創(chuàng)建方式有兩種，一種是由系統(tǒng)創(chuàng)建，另一種是由父進(jìn)程創(chuàng)建。導(dǎo)致系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程的原因主要有3個(gè)：①作業(yè)調(diào)度②用戶登錄③提供服務(wù)由父進(jìn)程創(chuàng)建是指由執(zhí)行狀態(tài)的用戶進(jìn)程根據(jù)自身需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的子進(jìn)程。在這種創(chuàng)建方式中，父進(jìn)程與其創(chuàng)建的子進(jìn)程之間存在隸屬關(guān)系和資源繼承關(guān)系，實(shí)際上是一種樹狀結(jié)構(gòu)的家族關(guān)系。(2)進(jìn)程創(chuàng)建原語的描述。無論是由系統(tǒng)創(chuàng)建還是父進(jìn)程創(chuàng)建，創(chuàng)建者都需要調(diào)用進(jìn)程創(chuàng)建原語來創(chuàng)建新的進(jìn)程。進(jìn)程創(chuàng)建原語的主要工作是要為被創(chuàng)建的進(jìn)程建立一個(gè)進(jìn)程控制塊。2.進(jìn)程撤銷原語引起進(jìn)程撤銷的原因：①進(jìn)程正常終止②進(jìn)程異常終止③父進(jìn)程要求撤銷某一子孫進(jìn)程(2)進(jìn)程撤銷原語的描述。無論是哪種原因引起的進(jìn)程撤銷，都需要調(diào)用撤銷原語來完成撤銷工作。進(jìn)程撤銷原語的主要工作是釋放被撤銷進(jìn)程所占用的全部資源和進(jìn)程控制塊結(jié)構(gòu)本身。3.進(jìn)程阻塞原語進(jìn)程阻塞原語的作用是將一個(gè)進(jìn)程由執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。當(dāng)一個(gè)處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程需要等待某一事件發(fā)生時(shí)，自己調(diào)用阻塞原語阻塞自己，以便讓出CPU。進(jìn)程阻塞原語的主要處理過程是：首先中斷當(dāng)前進(jìn)程的CPU，并將其現(xiàn)場保存到進(jìn)程控制塊中；然后置該進(jìn)程狀態(tài)為“阻塞”，并插入阻塞隊(duì)列；隨后再激活進(jìn)程調(diào)度程序，重新分配CPU4.進(jìn)程喚醒原語進(jìn)程喚醒原語的作用是將一個(gè)處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程由阻塞狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程所等待的事件發(fā)生時(shí)，將由發(fā)現(xiàn)者進(jìn)程調(diào)用進(jìn)程喚醒原語將其喚醒。進(jìn)程喚醒原語的主要操作是：將被喚醒進(jìn)程從阻塞隊(duì)列中移出，狀態(tài)改為“就緒”，并插入就緒隊(duì)列。3.5進(jìn)程互斥與同步3.5.1互斥的概念1.臨界資源臨界資源是指一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源。在多進(jìn)程系統(tǒng)中，諸進(jìn)程之間除了競爭CPU外，還會(huì)競爭各種臨界資源。許多物理設(shè)備都屬于臨界資源，如輸入設(shè)備，打印機(jī)等。只有當(dāng)一個(gè)進(jìn)程使用完釋放后，才允許另一個(gè)進(jìn)程使用這些資源。

看一個(gè)例子，設(shè)有兩個(gè)并發(fā)進(jìn)程P1和P2共享變量count，進(jìn)程P1或P2的功能是每執(zhí)行完某些操作后，將count的值取出來加1，R1和R2是工作寄存器。當(dāng)P1和P2按如下順序執(zhí)行時(shí)：P1：R1=count;R1=R1+1;count=R1;P2：R2=count;R2=R2+1;count=R2;

其結(jié)果使count增加了2，這是正確的。但由于P1和P2是兩個(gè)并發(fā)過程，如果對(duì)它們的執(zhí)行不加限制，則有可能出現(xiàn)不同的執(zhí)行順序。

例如按下面對(duì)順序執(zhí)行P1：R1=count;P2：R2=count;P1：R1=R1+1;count=R1;P2：R2=R2+1;count=R2;

雖然P1和P2都各自對(duì)count做了一次加1操作，但count的值最后卻僅增加了1。顯然，這種錯(cuò)誤與執(zhí)行順序有關(guān)，因此也稱其為與執(zhí)行順序有關(guān)的錯(cuò)誤。產(chǎn)生這種錯(cuò)誤的主要原因是沒有將變量count按臨界資源處理。2.臨界區(qū)