《Linux操作系統(tǒng)原理與應用》課件-第1章

第1章 操作系統(tǒng)概述1.1認識操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀1.3Linux操作系統(tǒng)概述

1.1認識操作系統(tǒng)

1.1.1操作系統(tǒng)的概念

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成一臺計算機的各個部件，包括中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）、內(nèi)存和設備。軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。軟件的靜態(tài)形式是存儲在存儲設備中的程序、數(shù)據(jù)和文檔信息；軟件的動態(tài)形式是運行于CPU和內(nèi)存中的指令流。在計算機系統(tǒng)中，硬件與軟件相互依賴：硬件提供了執(zhí)行計算的能力，軟件控制和使用硬件完成特定的計算任務。

從資源的角度看，計算機系統(tǒng)內(nèi)的所有硬件以及存儲設備中的數(shù)據(jù)都被看作資源。計算機系統(tǒng)的用戶和系統(tǒng)中運行的程序都是這些資源的使用者。計算機系統(tǒng)的資源分為4類，如圖1-1所示。圖1-1計算機系統(tǒng)的資源

操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是計算機系統(tǒng)中最基本的軟件。它直接管理和控制計算機的資源，合理地調(diào)度資源，使之得到充分的利用，并為用戶使用這些資源提供一個方便的操作環(huán)境和良好的用戶界面。

從資源角度看，操作系統(tǒng)是管理和控制計算機資源的軟件。

從用戶角度看，操作系統(tǒng)是用戶與計算機之間的接口。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，操作系統(tǒng)是在硬件之上的第一層軟件。

可以看出，操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中起到支撐應用程序運行以及提供用戶操作環(huán)境的作用，它是計算機系統(tǒng)的核心與基石。所有其他軟件都要倚賴操作系統(tǒng)才能運行。圖1-2示意了操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的重要地位。圖1-2操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位

1.1.2 操作系統(tǒng)的功能

操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)的資源管理器，它的功能就是管理系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)與用戶之間的接口，它要為用戶提供一個良好的使用環(huán)境。這些功能可以歸納為以下5項：

（1）CPU管理。CPU是計算機硬件的核心。

（2）存儲管理。存儲器指的是計算機的內(nèi)存，是計算機中比較寶貴的資源。

（3）文件管理。文件是程序和數(shù)據(jù)在存儲設備中的存放形式。

（4）設備管理。設備是實現(xiàn)計算機與外界交換數(shù)據(jù)功能的部件，因此也稱為I/O（Input/Output）設備。

（5）用戶接口。用戶接口的功能是向用戶提供一個使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能方便有效地利用系統(tǒng)完成自己的工作。

1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.2.1操作系統(tǒng)的發(fā)展操作系統(tǒng)的發(fā)展與計算機硬件體系結(jié)構(gòu)和工藝技術的發(fā)展分不開。按照計算機硬件的4個時代的劃分，操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。

1.第一代計算機（20世紀40年代中至50年代末）

第一代計算機采用電子管器件設計，體積龐大，運行速度也很慢，主要用于數(shù)值計算。這個時期的機器沒有操作系統(tǒng)，采用機器語言編寫程序，完全靠手工方式來操作。具體的操作方式有手工操作和手工批處理操作兩種。

1）手工操作

2）手工批處理操作

2.第二代計算機（20世紀50年代末至60年代中）

20世紀50年代末，計算機進入了晶體管時代，計算機的運行速度和可靠性都有了明顯的提高，大型機誕生，并開始進入實際應用領域，如少數(shù)大型公司、政府部門和大學等。這個時期的計算機主要用于科學和工程計算，大多用FORTRAN語言和匯編語言編程。由于機器價格昂貴，因此減少處理器的空閑等待時間成為這個時期主要的研究目標。解決方案就是批處理系統(tǒng)和執(zhí)行程序系統(tǒng)。

1）批處理系統(tǒng)

2）執(zhí)行程序系統(tǒng)

3.第三代計算機（20世紀60年代中至70年代初）

計算機進入集成電路時代后，系統(tǒng)體積明顯減小，系統(tǒng)性能進一步提高，價格逐漸降低。此時，大型機開始進入商業(yè)領域，小型機也逐漸崛起，高級語言誕生。這一時期也是操作系統(tǒng)的興盛期，涌現(xiàn)出大批操作系統(tǒng)，包括多道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)。這些奠定了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基礎框架。

1）多道批處理系統(tǒng)

2）分時系統(tǒng)

3）實時系統(tǒng)

4.第四代計算機（20世紀70年代初至今）

20世紀70年代初，計算機進入大規(guī)模集成電路時代，20世紀80年代又進入超大規(guī)模集成電路時代。此時計算機的性能和可靠性大幅提高，體積和價格大幅下降。這些因素促使個人計算機和嵌入式設備飛速地發(fā)展和普及，同時計算機網(wǎng)絡也在興起和迅速擴大。伴隨這些發(fā)展，操作系統(tǒng)向著個人計算、網(wǎng)絡與分布式計算、移動計算方向高速發(fā)展。操作系統(tǒng)的理論日益完善，性能愈加穩(wěn)定，操作更為方便。

1）PC操作系統(tǒng)

2）網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

3）嵌入式操作系統(tǒng)

縱觀操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史，可以看到主導其發(fā)展的兩條主要線索，即硬件和應用。早期操作系統(tǒng)的發(fā)展緊密依賴于硬件，動力在于提高昂貴的硬件資源的利用率。而隨著硬件價格的下降，操作系統(tǒng)更加注重系統(tǒng)的易用性，致力于構(gòu)造方便、安全和可靠的應用環(huán)境。值得注意的是，近年來操作系統(tǒng)的發(fā)展已逐漸走出依附于硬件發(fā)展的局面，形成自身的一套理論體系，并推動整個軟件產(chǎn)業(yè)走向成熟。

1.2.2 操作系統(tǒng)的分類與現(xiàn)狀

操作系統(tǒng)的分類主要有以下幾種方式。

1. 按處理方式分

1）多道批處理系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)（BatchProcessingOS）主要用于大型機系統(tǒng)。多道是指在內(nèi)存中存在多個作業(yè)，同時處于運行狀態(tài)，共享系統(tǒng)資源。

多道批處理系統(tǒng)的設計目標是充分利用系統(tǒng)資源，縮短作業(yè)周轉(zhuǎn)時間，提高系統(tǒng)吞吐量。其代表是IBM大型機操作系統(tǒng)VM、MVS和OS/390。

2）分時操作系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)追求的目標是充分地利用系統(tǒng)資源。但從用戶的角度看，多道批處理系統(tǒng)的使用很不方便，它有以下缺點：

（1）用戶響應時間長。

（2）用戶無法干預運行中出現(xiàn)的狀況。

分時操作系統(tǒng)具有以下特點：

（1）多路性：多個用戶同時使用一臺主機，各用戶的作業(yè)都在同時進行著。

（2）獨立性：多個用戶作業(yè)之間互不干擾，用戶感覺好像是在獨立使用計算機。

（3）及時性：系統(tǒng)對用戶有足夠快的響應時間，用戶覺察不出作業(yè)的停頓。

（4）交互性：用戶直接與系統(tǒng)交互，發(fā)布命令，觀察作業(yè)的運行狀態(tài)和結(jié)果。

3）實時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)（RealTimeOS）是指具有一定實時資源調(diào)度能力的操作系統(tǒng)。實時是指對特定事件的響應和處理時間是可預知的，在任何情況下都不會超出操作系統(tǒng)所承諾的上限。實時系統(tǒng)的響應時間比分時系統(tǒng)更短，更苛刻，往往要達到毫秒或微秒級。

實時操作系統(tǒng)主要關注系統(tǒng)的響應性。它的交互能力比較差，不強調(diào)資源利用率，但對響應時間和可靠性的要求很高，通常應用在需要精細的過程控制能力的領域，如航空航天、軍事、醫(yī)療和工業(yè)控制。

2. 按規(guī)模和用途分

1）主機操作系統(tǒng)

主機操作系統(tǒng)（MainframeOS）通常是指運行在IBM公司的大型機以及其他廠商制造的兼容主機上的操作系統(tǒng)。

2）通用操作系統(tǒng)

最常用的操作系統(tǒng)是通用操作系統(tǒng)（GeneralPurposeOS），它是分時操作系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)的結(jié)合。通用操作系統(tǒng)的原則是分時優(yōu)先，批處理在后，即在“前臺”以分時方式響應用戶的交互作業(yè)，在“后臺”以批處理方式處理時間性要求不強的作業(yè)。

3）個人操作系統(tǒng)

個人操作系統(tǒng)（PersonalOS）是為個人應用而設計的操作系統(tǒng)，通常是單用戶多任務系統(tǒng)。與其他操作系統(tǒng)相比，個人操作系統(tǒng)更注重的是系統(tǒng)的易用性，而不是系統(tǒng)的利用率。它們的交互界面都十分美觀且便于操作，強調(diào)對多媒體和網(wǎng)絡訪問功能的支持，以滿足用戶日常辦公、學習和娛樂等方面的需求。

3. 按體系結(jié)構(gòu)分

1）網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（NetworkOS）是指運行在網(wǎng)絡服務器上的操作系統(tǒng)，因此也稱為服務器操作系統(tǒng)。

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)主要有UNIX、Linux和Windows。UNIX主要應用于高端服務器，如大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和關鍵事務應用系統(tǒng)等。

2）分布式操作系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)由若干臺計算機組成，它們通過高速局域網(wǎng)互連，形成一個緊密耦合的集群，在同一操作系統(tǒng)的控制下運行，這個操作系統(tǒng)就是分布式操作系統(tǒng)（DistributedOS）。分布式操作系統(tǒng)負責管理分布式系統(tǒng)的各個節(jié)點的資源，并控制分布式程序的運行。在分布式操作系統(tǒng)的控制下，各節(jié)點機協(xié)同工作，并行計算，相互可以充分共享資源，均衡負載，從而獲得極高的整體運算能力。分布式操作系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是它的可靠性。機群中的一個節(jié)點失效，不會影響整個系統(tǒng)的運作。

3）嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)（EmbededOS）是運行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)的資源進行調(diào)度和控制的系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)具有以下特點：

（1）體積小。嵌入式系統(tǒng)大多使用閃存（flashmemory）作為存儲介質(zhì)。

（2）可靠性高。嵌入式系統(tǒng)大多工作在較差的環(huán)境中。

（3）實時性強。大多數(shù)用于過程控制的嵌入式操作系統(tǒng)都是實時系統(tǒng)，很多還是強實時多任務系統(tǒng)。

（4）智能化。嵌入式系統(tǒng)通常內(nèi)建地具有支持設備各項智能特性的能力，如觸摸感應、遙控、GPS和無線通信等。

1.3 Linux操作系統(tǒng)概述

1.3.1 Linux的發(fā)展背景與歷史1. Linux的背景Linux的誕生和發(fā)展與UNIX系統(tǒng)、Minix系統(tǒng)、Internet、GNU計劃有著不可分割的關系，它們對于Linux有著深刻的影響和促進作用。1）UNIX系統(tǒng)1971年，UNIX操作系統(tǒng)正式誕生于AT&T公司的Bell實驗室。它是一個多用戶多任務的分時操作系統(tǒng)。

UNIX堪稱操作系統(tǒng)設計的典范。它的許多優(yōu)秀的設計思想和理念對后來的操作系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響。Linux就是許多類UNIX系統(tǒng)中的一個佼佼者。由于Linux的開發(fā)者都具有各種UNIX的背景，因此Linux繼承了UNIX的優(yōu)秀設計思想，也集中了UNIX的各種優(yōu)點。

2）Minix系統(tǒng)

UNIX是一個商用軟件，雖然它的源代碼是公開的，但不是免費的。UNIX高昂的源碼許可證費用令普通用戶無法接受。另外，UNIX對硬件平臺的要求也比較高，這限制了它在教學和研究領域的使用。

3）Internet

20世紀80年代中期，互聯(lián)網(wǎng)Internet逐漸形成，它將全球計算機網(wǎng)絡連接在一起，使世界各地的用戶能夠通過Internet交流和獲取信息。

Linux就是這樣一個誕生于互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物，它的開發(fā)者是遍布世界各地的無數(shù)個軟件高手，是網(wǎng)絡把他們的力量匯聚在一起，推動Linux不斷地發(fā)展和壯大起來。

4）GNU

20世紀80年代初，自由軟件（freesoftware）運動興起。自由軟件運動的目標是減少對軟件使用上的限制，使軟件的發(fā)展更具靈活性。自由軟件提倡四大自由，即運行軟件的自由、獲取源代碼修改軟件的自由、發(fā)布（免費/少許收費）軟件的自由以及發(fā)布后修改軟件的自由。

2. Linux的發(fā)展歷史

1991年初，芬蘭赫爾辛基大學的學生LinusTorvalds出于個人愛好，決定自己編寫一個類似Minix的操作系統(tǒng)。

短短二十多年的發(fā)展歷史表明，憑借其優(yōu)秀的設計、不凡的性能和開源的優(yōu)勢，加上知名企業(yè)的大力支持，Linux已從一個為滿足個人愛好而設計的產(chǎn)物成長為一個充滿競爭力和活力的主流操作系統(tǒng)。

1.3.2 Linux操作系統(tǒng)的特點

總的來說，Linux是一個遵循POSIX標準的，多用戶、多任務的自由操作系統(tǒng)。與其他操作系統(tǒng)相比，它有以下顯著特點：

（1）基于UNIX設計，性能出色。Linux繼承了UNIX的優(yōu)秀品質(zhì)，具有出色的性能、可靠性和穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的安全運行提供了保證。

（2）遵照GPL許可，是自由軟件。Linux遵循GNU的GPL許可證，是自由軟件家族中最重要的一員。

（3）符合POSIX標準，兼容性好。POSIX是基于UNIX制定的針對操作系統(tǒng)應用接口的國際標準，目的是獲得不同操作系統(tǒng)在源代碼級上的軟件兼容性。

4）可移植性好。可移植性是指將操作系統(tǒng)從一種計算機硬件平臺轉(zhuǎn)移到另一種計算機硬件平臺后仍能正常運行的能力。

（5）網(wǎng)絡功能強大。Linux是在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)展起來的，它有著與生俱來的強大的網(wǎng)絡功能。

（6）安全性好。Linux系統(tǒng)是針對多用戶和網(wǎng)絡環(huán)境設計的，在設計之初就充分考慮了安全性。

盡管有這些優(yōu)秀的特性，但Linux系統(tǒng)還是存在一些問題。目前的主要問題是：入門要求比較高，普及率受到限制；發(fā)行版本比較多，各版本間不盡兼容；許多自由軟件的開發(fā)者大部分不是盈利型團體，缺乏技術支持。

1.3.3 Linux操作系統(tǒng)的組成

Linux的基本系統(tǒng)由3個主要部分組成：

內(nèi)核：運行程序和管理基本硬件設備的核心程序。

Shell：系統(tǒng)的命令行用戶界面，負責接收、解釋和執(zhí)行用戶輸入的命令。

文件系統(tǒng)：按一定的組織結(jié)構(gòu)存放在磁盤上的文件集合。

以上部分構(gòu)成的基本系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)的最小配置，它使用戶可以運行程序、管理文件和使用設備。在基本系統(tǒng)之上，用戶可以通過有選擇地附加一些系統(tǒng)和應用軟件（如X圖形用戶界面、系統(tǒng)工具軟件、應用軟件等）來擴展系統(tǒng)，使其滿足不同的應用需求。圖1-3描述了Linux系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，其中Shell、內(nèi)核和硬件設施（包括存有文件系統(tǒng)的磁盤）構(gòu)成了系統(tǒng)的最基本配置。圖1-3Linux系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.4 Linux操作系統(tǒng)的版本

Linux的開發(fā)和發(fā)布模式是：內(nèi)核程序由Linus帶領的核心組成員負責更新和發(fā)布，驅(qū)動程序和應用軟件由軟件開發(fā)商、系統(tǒng)集成商、社團組織以及眾多Linux愛好者自行開發(fā)或移植。因此，Linux的版本也有兩類，即Linux內(nèi)核版本與Linux系統(tǒng)版本。內(nèi)核版本是指由內(nèi)核團隊維護和發(fā)布的內(nèi)核的版本；系統(tǒng)版本是指以Linux內(nèi)核為基礎構(gòu)造的、由各發(fā)行商或社團組織維護和發(fā)布的完整的操作系統(tǒng)的版本，也稱為發(fā)行版本。

1. Linux內(nèi)核版本

Linux內(nèi)核版本號由三或四個數(shù)字表示，基本格式是“主版本號.次版本號.修訂號”，如4.10.26。主版本號和次版本號標識了一個內(nèi)核的系列，如4.10內(nèi)核系列。內(nèi)核系列的升級標志著在結(jié)構(gòu)上或功能上有重要的更新。修訂號代表修改的次數(shù)。修訂號的升級表示內(nèi)核在缺陷修正及驅(qū)動程序等方面的更新。

2. Linux發(fā)行版本

Linux的知名發(fā)行版本多達幾百種，可謂是百花齊放。每種發(fā)行版本都在Linux內(nèi)核的基礎上集成了圖形界面、各種系統(tǒng)工具和應用程序。由于在設計理念、發(fā)展策略及面向的目標等方面的差異，發(fā)行版本均各具特色，帶給用戶的體驗也各不相同。

目前流行的發(fā)行版本主要有以下幾種：

1）RedHat、Fedora和CentOS

2）Debian、Ubuntu和LinuxMint

3）SUSELinux和openSUSE

4）Slackware

5）Arch和Manjaro

3. 選擇Linux版本

雖然同屬一個家族，但各個發(fā)行版卻樣貌不同，性格各異。它們彼此間既相互參照，又各自獨立，構(gòu)成Linux獨有的生態(tài)環(huán)境。

Slackware和Arch具有高度的可配置性，可將系統(tǒng)的效能與個性發(fā)揮到極致，但手工配置的難度會令許多初學者望而卻步。所以它們更適合于那些有經(jīng)驗的用戶和技術愛好者使用。openSUSE、