第1章-操作系统

1、第一章 操作系统引论 计算机操作系统主讲教师：张文娟E-Mail:第一章 操作系统引论 n课程特点：概念多、原理性强、较抽象n课程学习目的：基础核心课、有利于对计算机系统的理解和软件开发n课程学习方法：以问题驱动学习、理论联系实际n课程学习难点：概念、原理、算法、数据结构第一章 操作系统引论 参考书籍nOperating System Internals and Design Principles, William Stallings, TsingHua University Pressn计算机操作系统教程，张尧学，史美林编著；清华大学出版社.第一章 操作系统引论 相关资源n斯坦福大学操作系统

2、课程nStanford: operating systemsn/10wi-cs140n麻省理工大学操作系统课程nMIT OpenCourseWare: operating systemsn5/ocw/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-828Fall2003/Syllabus/index.htm n西北工业大学操作系统课程nhttp:/ 操作系统引论 课程内容安排n第一章 操作系统引论n第二章 进程管理n第三章 处理机调度与死锁n第四章 存

3、储管理n第五章 设备管理n第六章 文件管理第一章 操作系统引论 本章要点n计算机系统结构：了解操作系统的地位n操作系统的目标n什么是操作系统：三种基本观点n推动操作系统发展的主要动力n操作系统的发展过程n操作系统的基本特征n操作系统的主要功能n基本概念：批处理、多道程序设计、作业、任务、进程与线程、接口、虚拟存储、文件第一章 操作系统引论 见过OS?solarisMac os第一章 操作系统引论 Red star第一章 操作系统引论 操作系统的地位用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件 操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。它在计算机系统中占据了

4、特别重要的地位；而其它的诸如汇编语言、编译程序、数据库管理系统等系统软件，以及大量的应用软件，都将依赖于操作系统的支持，取得它的服务。第一章 操作系统引论 操作系统的目标操作系统的目标 目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点： 1. 方便性（针对用户自顶向下的观点） 2. 有效性 (针对硬软件自底向上的观点) OS有利于提高系统的资源利用率 OS有利于提高系统的吞吐量第一章 操作系统引论 3 可扩充性OS要适应计算机硬件、体系结构（多机系统、分布式系统）以及应用发展（例如语音输入）的要求。4 开放性开放性是指系统能遵循世界标准

5、规范，便于软硬件兼容和系统互连。POSIX：OS的应用程序接口（API）标准（P265）Window、X-Window：图形用户界面标准TCP/IP：网络互联的事实标准操作系统的目标操作系统的目标第一章 操作系统引论 操作系统的作用操作系统的作用 1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口作为用户与计算机硬件系统之间的接口 OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。 第一章 操作系统引论 O

6、S作为接口的示意图 用 户应用程序系统调用 命令 图标、窗口操作系统计算机硬件第一章 操作系统引论 2. OS作为计算机系统资源的管理者作为计算机系统资源的管理者n资源分为四类：处理器（CPU）、存储器、 I/O设备以及信息（数据和程序）。nOS的资源管理功能：n进程管理（或处理机管理）：用于分配和控制处理机；n存储管理：主要负责内存的分配与回收；n设备管理：负责I/O设备的分配与操纵；n文件管理：负责文件的存取、共享和保护。n事实上，当今世界上广为流行的一个关于OS作用的观点，正是把OS作为计算机系统的资源管理者。 第一章 操作系统引论 3. OS用作扩充机器用作扩充机器OS是裸机上的第一层

7、软件，实现了对硬件功能的首次扩充，将用户（程序员）从复杂硬件控制中解脱出来，为用户提供的是一台使用更为方便的虚拟机。n裸机：不配备任何软件的计算机系统。裸机对外提供的接口是指令系统和中断捕获能力。n虚拟机：在原有机器的基础上，增加一层或多在原有机器的基础上，增加一层或多层软件后得到的功能更强大的新机器。层软件后得到的功能更强大的新机器。经OS扩充产生的虚拟机对用户提供了更强大易用的用户接口和程序接口。第一章 操作系统引论 虚拟机的示意图物理接口硬件用户用户I/O软件物理接口硬件机器指令虚机器I/O操作命令(Read，Write)图1-2I/O软件隐藏了I/O操作实现的细节,形成了第一层虚拟机

8、第一章 操作系统引论 经经OS多层软件包装产生的更强大、易用的虚拟机多层软件包装产生的更强大、易用的虚拟机经经Java运行环境包装产生的运行环境包装产生的Java虚拟机虚拟机红色边界：红色边界：OS与硬件的边界，属与硬件的边界，属于系统结构的研究范畴（确定软于系统结构的研究范畴（确定软硬件的边界）！硬件的边界）！虚拟机示意图虚拟机示意图第一章 操作系统引论 推动操作系统发展的主要动力推动操作系统发展的主要动力 1.不断提高计算机资源利用率不断提高计算机资源利用率(例如：批处理系统和多道程序设计技术）2. 方便用户方便用户(例如：分时系统、图形用户界面) 3. 器件的不断更新换代器件的不断更新换

9、代 (32位OS64位OS)4. 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展(单机OS网络OS分布式OS ) 注意：前两个是最重要的发展主线第一章 操作系统引论 n1 无操作系统的计算机系统n2 单道批处理系统n3 多道批处理系统n4 分时系统n5 实时系统1.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程 第一章 操作系统引论 1.2操作系统的发展过程操作系统的发展过程 一、无操作系统的计算机系统一、无操作系统的计算机系统 1 无操作系统的计算机系统2 单道批处理系统3 多道批处理系统4 分时系统5 实时系统n从1945年到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。n由用户（即程序员

10、）采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统：预约上机（联机On-Line）程序和数据事先穿孔到纸带(或卡片)上，然后装入纸带输入机(或卡片输入机)再启动这些输入设备将程序和数据输入计算机内存，然后启动计算机运行当程序运行完毕并取走计算结果之后，才让下一个用户上机。第一章 操作系统引论 n缺点：用户独占全机n资源独占，资源利用率低n用户人工干预，不方便CPU等待人工操作nI/O与CPU串行工作，用户操作与CPU串行工作，CPU时间浪费严重n结论：人机矛盾突出第一章 操作系统引论 2. 脱机输入脱机输入/输出输出(Off-Line I/O)方式方式50年代末年代末n随着硬件发展，引入了外围机，并出现

11、了程序员和操作员的分工n优点：减少了CPU的空闲时间n实现了CPU与I/O的并行工作提高I/O速度n使用了更熟练的操作员n使用了更快速的磁带n缺点：仍需人工干预输入设备外围机磁盘主机外围机输出设备图1-3脱机I/O示意图 第一章 操作系统引论 二、二、 单道批处理系统单道批处理系统 n主要改进引入监督程序（monitor），实现作业间的自动切换。监督程序常驻内存OS的雏形n工作方式作业成批组织作业单道执行把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下一个作业？是否停止运 行目标程序是开始图1-4 单道批处理系统的处理流程 1 单道批处理系统的处理过程单道批处理系统的处理

12、过程第一章 操作系统引论 2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征 n主要特征自动性顺序性单道性n主要缺点：资源利用率仍有待提高单道作业独占资源CPU与外设之间仍然是串行工作（见后 图1-5）n原因：内存中只有单道作业第一章 操作系统引论 三、三、 多道批处理系统多道批处理系统 n多道批处理系统（Multiprogrammed Batch Processing System）在60年代中期产生，产生基础：硬件基础：中断、通道技术软件基础：多道程序设计技术n多道程序设计技术在内存中同时保持多道程序，主机以交替方式同时处理多道程序。可以实现CPU与I/O设备的并行工作，有利于提高系统资源的利

13、用率。标志着OS的形成第一章 操作系统引论 n多道批处理系统：多道技术+批处理方式用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；成批处理由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。多道第一章 操作系统引论 在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：(1)提高CPU的利用率。 (2)可提高内存和I/O设备利用率。(3) 增加系统吞吐量。第一章 操作系统引论 t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求I/O 完成启动 I/OI/O 中断请求用户程序监督程序I/O 操作(a) 单道程序运

14、行情况程序A程序A I/O 请求程序A I/O 完成程序B程序B I/O 请求程序C程序C I/O 请求程序D程序D I/O 请求C I/O 完成C 再被调度程序B I/O 完成程序A再被调度程序A程序B程序C程序D调度程序(b) 四道程序运行情况A完成结束中断图1-5单道和多道程序运行情况 第一章 操作系统引论 多道批处理系统的特征：多道批处理系统的特征： (1)多道性。多道性。 (2) 无序性。无序性。 (3) 调度性：调度性：作业调度和进程调度。 第一章 操作系统引论 多道批处理系统的优缺点多道批处理系统的优缺点1资源利用率高2系统吞吐量大n吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量3平

15、均周转时间长n作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。n由成批处理的作业组织方式所决定4无交互能力n用户（指程序员）一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，n对修改和调试程序很不方便满足了提高资源利用率的要求满足了提高资源利用率的要求不利于方便用户不利于方便用户第一章 操作系统引论 多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统需要解决的问题 :(1) 处理机管理问题。处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。设备管理问题。 (4) 文件管理问题。文件管理问题。 (5) 作业管理问题。作业管

16、理问题。 第一章 操作系统引论 四：四： 分时系统分时系统 n分时系统分时系统(Time-Sharing System)的产生的产生v推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量是提高资源利用率和系统吞吐量v推动分时系统形成和发展的主要动力，则是推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求用户的需求n用户的需求用户的需求v人机交互（关键）v共享主机（要求互不影响）v便于用户上机第一章 操作系统引论 n分时系统分时系统交互式系统交互式系统+多道程序设计多道程序设计v在一台主机上连接多个终端（键盘、显示在一台主机上连接多个终端（键

17、盘、显示器），同时允许多个用户通过自己的终端，器），同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式以交互方式分时分时使用计算机，共享主机的资使用计算机，共享主机的资源。源。n分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题v及时接收及时接收键盘缓冲区键盘缓冲区+多路采集卡多路采集卡v及时处理及时处理作业直接入内存，不允许一个作业直接入内存，不允许一个作业长期占用处理机作业长期占用处理机第一章 操作系统引论 n分时系统的工作方式分时系统的工作方式v用户作业直接进入内存（批处理是先入磁盘）用户作业直接进入内存（批处理是先入磁盘）v基于时间片轮转基于时间片轮转分配分配CPU时间时间n分时系统的特征分时系

18、统的特征v多路性多路性宏观上同时，微观上轮流宏观上同时，微观上轮流v独立性独立性虚拟虚拟CPUv及时性及时性v以人们所能接受的等待时间来确定的，通常仅为以人们所能接受的等待时间来确定的，通常仅为13秒钟秒钟v交互性交互性最重要特征最重要特征第一章 操作系统引论 五、五、 实时系统实时系统 n实时系统实时系统(Real Time System)v是指系统能及时是指系统能及时(或即时或即时)响应外部事件的请响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。并控制所有实时任务协调一致地运行。v“实时实时”是表示是表示“及时及

19、时”第一章 操作系统引论 实时任务的划分：实时任务的划分： 1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分按任务执行时是否呈现周期性来划分(1) 周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。 外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间(Deadline)。它又可分为： 开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行； 完成截止时间任务在某时间以前必须完成。 2)根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分（1）硬实时任务（2）软实时任务第一章 操作系统引论 实时系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较 (1) 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4)

20、 交互性。 (5) 可靠性。 第一章 操作系统引论 1.3操作系统的基本特性操作系统的基本特性 n三种基本操作系统三种基本操作系统v多道批处理系统侧重系统性能高v分时系统侧重交互性v实时系统侧重及时性n操作系统的基本特征操作系统的基本特征v并发（最重要特征）v共享v虚拟v异步第一章 操作系统引论 1.3.1 并发性并发性n并行性并行性（Parallel）指两个或多个事件在同一时刻发生n并发性并发性（Concurrence）指两个或多个事件在同一时间间隔内发生指两个或多个事件在同一时间间隔内发生在单处理机系统和多道程序环境下，并发性是指在一段在单处理机系统和多道程序环境下，并发性是指在一段时间内

21、，时间内，宏观上宏观上有多个程序在有多个程序在同时运行同时运行，但，但微观上微观上这些这些程序只能是程序只能是交替执行交替执行n并发执行的基本单位并发执行的基本单位进程或线程进程或线程严格说，严格说，程序（程序（Program）是不能并发执行的。是不能并发执行的。为实现并发执行，须将程序改造成为实现并发执行，须将程序改造成进程（进程（Process）进一步提高系统的并发性，在进程基础上引入进一步提高系统的并发性，在进程基础上引入线程线程（Thread）第一章 操作系统引论 基本概念：进程与线程基本概念：进程与线程n进程是指，程序的一次执行，包括可执行进程是指，程序的一次执行，包括可执行的程序、

22、程序所需的数据和相关状态信息。的程序、程序所需的数据和相关状态信息。进程是拥有资源的最小实体，在传统进程是拥有资源的最小实体，在传统OS中，中，进程同时也是系统调用的最小单位。进程同时也是系统调用的最小单位。n线程是指，程序一次相对独立的运行过程；线程是指，程序一次相对独立的运行过程；在现代在现代OS中，线程是系统调用的最小单位。中，线程是系统调用的最小单位。第一章 操作系统引论 1.3.2共享性共享性n共享共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用。进程（线程）共同使用。n两种资源共享方式两种资源共享方式互斥共享互斥共享如何实现是

23、如何实现是OS的一个重要问题！的一个重要问题！一段时间内只允许一个进程一段时间内只允许一个进程(线程线程)访问特定资源访问特定资源临界资源或独占资源临界资源或独占资源：大多数物理设备，以及软件大多数物理设备，以及软件中所用的栈、变量和表格等。它们要求被互斥地共中所用的栈、变量和表格等。它们要求被互斥地共享。享。同时访问同时访问n针对磁盘、可重入文件等n宏观上同时，微观上交替访问第一章 操作系统引论 并发并发和和共享共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程进程)的并发的并

24、发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，理， 协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。 第一章 操作系统引论 1.3.3虚拟虚拟(Virtual) 虚拟（虚拟（Virtual）是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。虚拟性是用户的一种感觉虚拟性是用户的一种感觉。OS中的虚拟技术中的

25、虚拟技术虚拟处理机：多道程序设计技术（分时系统）虚拟内存：虚拟存储技术虚拟外部设备：SPOOLing技术（实现虚拟打印机）虚拟信道：多路复用技术第一章 操作系统引论 实现虚拟技术的两种方式实现虚拟技术的两种方式v时分复用技术时分复用技术亦即分时使用方式。可以实现虚拟处理机、虚拟外部设备等，以提高资源的利用率。v空分复用技术空分复用技术用来提高存储空间的利用率。虚拟磁盘技术允许将一个硬盘划分为多个逻辑驱动器；虚拟内存技术使用外存空间从逻辑上扩充内存空间。第一章 操作系统引论 1.3.4 异步性异步性(Asynchronism) v异步性（Asynchronism）多道程序环境下，进程是以人们不可

26、预知的速度向前推进（走走停停而非一气呵成），此即进程的异步性。异步性也称为不确定性。不确定性并非运行结果的不确定，而是执行顺序、执行进度的不确定（只要运行环境相同，同一个作业经多次运行，都会获得完全相同的结果）。第一章 操作系统引论 1.4 操作系统的主要功能第一章 操作系统引论 操作系统的主要任务操作系统的主要任务n 为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊、高效的运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用第一章 操作系统引论 操作系统的主要功能操作系统的主要功能n1处理机管理功能（第、章）n2存储器管理功能（第章）n3设备管理功能（第章）n4文件管理

27、功能（第章）n5操作系统与用户之间的接口（第章）第一章 操作系统引论 1.4.1处理机管理功能处理机管理功能v进程控制进程控制创建和撤消进程（线程），实现进程（线程）运行过程中的状态转换。重点介绍状态转换图、控制原语重点介绍状态转换图、控制原语v进程同步进程同步为多个进程（线程）的运行进行协调：包括互斥访问临界资源、相互合作完成特定任务等。重点介绍实现重点介绍实现同步的信号量机制（课程难点！）同步的信号量机制（课程难点！）v进程通信进程通信实现相互合作的进程之间的信息交换。包括：共享存储器、消息传递、管道通信。v调度调度包括作业调度和进程调度。重点介绍一些调度算法重点介绍一些调度算法第一章 操

28、作系统引论 1.4.2存储器管理功能v为多道程序的并发执行提供良好的环境v便于用户使用存储器v提高存储器的利用率v为尽量多的用户提供足够大的存储空间存储器管理任务：第一章 操作系统引论 存储器管理功能v内存分配与回收内存分配与回收包括静态分配和动态分配v内存保护内存保护防止非法或越界访问，需要硬软件配合实现v地址映射（重定位）地址映射（重定位）实现逻辑地址到物理地址的变换，分为静态重定位和动态重定位v内存扩充内存扩充从逻辑上去扩充内存容量，主要技术：覆盖、交换和虚拟存储技术第一章 操作系统引论 内存保护的主要任务内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。

29、用户程序访问操作系统的程序和数据用户程序访问操作系统的程序和数据 转移到非共享的其它用户程序中去执行转移到非共享的其它用户程序中去执行n为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行，必须设置内存保护机制。n 一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统须对每条指令所要访问的地址进行检查，如果发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。n 如果这种检查完全用软件实现，则每执行一条指令，便须增加若干条指令去进行越界检查，这将显著降低程序的运行速度。因此，越界检查都由硬件实现。当然， 对发生越界后的处理， 还须与软件配合来完成。 第一章 操作系统引论

30、 为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制， 用于实现下述各功能：n (1) 请求调入功能。 n (2) 置换功能。 第一章 操作系统引论 v为用户程序分配I/O设备；v完成用户程序请求的I/O操作；v提高处理机和I/O设备的利用率v改善人机界面，方便用户使用设备I/O1.4.3设备管理功能设备管理任务：第一章 操作系统引论 设备管理功能设备管理功能n设备分配设备分配按照某种设备分配策略，为进程分配所需的设备。对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到分配的安全性。设备使用完后，应进行回收。n设备处理设备处理驱动设备进行用户请求的I/O操作n缓冲管理缓冲管理引入缓冲可有效地缓和CPU与

31、I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率。n虚拟设备虚拟设备第一章 操作系统引论 文件管理任务文件管理任务：n管理用户文件和系统文件n保证文件数据的安全n方便用户使用文件1.4.4文件管理功能第一章 操作系统引论 文件管理功能：n文件存储空间管理文件存储空间管理管理外存磁盘空间的分配与回收n目录管理目录管理文件目录项的组织与管理，目录管理有利于目录管理有利于实现文件的按名存取实现文件的按名存取n文件读文件读/写管理写管理n文件共享与保护文件共享与保护第一章 操作系统引论 3. 文件的读文件的读/写管理和保护写管理和保护 (1) 文件的读文件的读/写管理。写管理。该功能是根据用户的请求，从

32、外存中读取数据；或将数据写入外存。 在进行文件读(写)时，系统先根据用户给出的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读(写)指针，对文件进行读(写)。一旦读(写)完成，便修改读(写)指针，为下一次读(写)做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可合用一个读/写指针。 (2) 文件保护。文件保护。 防止未经核准的用户存取文件； 防止冒名顶替存取文件； 防止以不正确的方式使用文件。 第一章 操作系统引论 1.4.5接口功能n接口，指操作系统为用户提供的人机交互界面n命令接口：以命令方式供用户通过键盘终端与计算机交互，如UNIX，DOSn图形化用户接口：Windows系列

33、操作系统则提供了形象、生动的图形化界面，用户只需拖动并点击鼠标，便可轻松操作计算机。n程序接口：以系统调用的形式供用户编程时使用。几乎各种操作系统都提供了系统调用，供程序设计。第一章 操作系统引论 1. 命令接口命令接口 (1) 联机用户接口。这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。当用户在终端或控制台上每键入一条命令后，系统便立即转入命令解释程序，对该命令加以解释并执行该命令。在完成指定功能后，控制又返回到终端或控制台上，等待用户键入下一条命令。这样，用户可通过先后键入不同命令的方式，来实现对作业的控制，直至作业完成。 第一章 操作系统引论 (2) 脱机用户接口。该接口是为批处理作业的用户提供的，故也称为批处理用户接口。该接口由一组作业控制语言JCL组成。批处理作业的用户不能直接与自己的作业交互作