操作系统_华理_chapter1

1、操作系统操作系统n教师：高雯教师：高雯n办公室：八教室办公室：八教室401401n电话：电话：1360174532913601745329n邮箱：邮箱：本课程的安排n理论理论（4848学时）学时）n4646学时的理论教学；学时的理论教学；n2 2学时的复习课学时的复习课。n实验实验（2424学时）学时）n实验文档实验文档n上机时间：第上机时间：第4 41515周周三上午周周三上午1 1、2 2节节n地点：二教室地点：二教室1 1、平时练习、平时练习2 2、实验（提交实验报告和代码）、实验（提交实验报告和代码）3 3、平时表现、平时表现4 4、期中、期末考试、期中、期末考试最后成绩评定最后成绩评

2、定课程主要内容课程主要内容操作系统引论（第操作系统引论（第1 1章）章）进程管理（第进程管理（第2-32-3章）章）存储器管理（第存储器管理（第4 4章）章）设备管理（第设备管理（第5 5章）章）文件管理（第文件管理（第6 6章）章）操作系统接口（第操作系统接口（第7 7章）章）UnixUnix操作系统（第操作系统（第1010章）章）为什么要学习操作系统？（为什么要学习操作系统？（1）n需要总体上掌握系统设计需要总体上掌握系统设计n操作系统包括了所有软件设计操作系统包括了所有软件设计/ /实现问题实现问题资源共享资源共享/ /管理、安全和身份验证、管理、安全和身份验证、灵活性，健壮性、友好界面

3、设计灵活性，健壮性、友好界面设计n存在人们意识不到的大量存在人们意识不到的大量“操作系统操作系统”嵌入式系统（嵌入式系统（PDAPDA、手机、手机-WP7-WP7，AndroidAndroid、机顶盒等）、机顶盒等）应用系统中的小操作系统（应用系统中的小操作系统（MINI-OSMINI-OS）n日常生活中并不总是使用日常生活中并不总是使用WindowsWindows系列的操作系系列的操作系统（统（UnixUnix、LinuxLinux、Apple MacintoshApple Macintosh、IBM IBM OS/2OS/2等）等）为什么要学习操作系统？（为什么要学习操作系统？（2）n涉及

4、到计算机科学的很多领域涉及到计算机科学的很多领域: :n计算机体系结构计算机体系结构/ /硬件硬件n软件设计软件设计n程序设计语言程序设计语言n数据结构数据结构n算法算法n抽象抽象 操作系统具有一种魔力操作系统具有一种魔力- - 提供了无限的提供了无限的CPUs CPUs 无限的内存无限的内存 等等等等. .为什么要学习操作系统？（为什么要学习操作系统？（3）n大型、复杂系统的系统设计大型、复杂系统的系统设计n性能性能 与与 方便使用方便使用n性能性能 与与 简单性简单性n硬件硬件 与与 软件软件 折衷权衡折衷权衡操作系统是目前最复杂的软件成分操作系统是目前最复杂的软件成分操作系统的规模（操作

5、系统的规模（1）n简单的操作系统：简单的操作系统： 一次一个应用程序在运行一次一个应用程序在运行 例子：例子：n较早期的计算机较早期的计算机n早期的早期的PCPCn嵌入式控制器嵌入式控制器 （电梯，汽车，（电梯，汽车，）等等等等操作系统的规模（操作系统的规模（2）n复杂的操作系统：复杂的操作系统： 多个应用程序共享计算机多个应用程序共享计算机 操作系统必须管理多个应用程序和多个用户之间的交互 例子：CPU，内存，I/O 设备: 硬盘，打印机， 操作系统管理所有这些资源，提供标准服务库n更复杂的操作系统：更复杂的操作系统： 多个多个CPUCPU，多个计算机，多个计算机第第1 1章章 操作系统引论

6、操作系统引论n操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用n操作系统的发展过程操作系统的发展过程n操作系统的基本特征操作系统的基本特征n操作系统的主要功能操作系统的主要功能n操作系统的结构设计操作系统的结构设计nUNIXUNIX操作系统简介操作系统简介1.1 1.1 操作系统的目标和作用操作系统的目标和作用一一、操作系统目的操作系统目的/ /目标目标二、计算机系统组成二、计算机系统组成 三、操作系统的作用三、操作系统的作用 一、操作系统目的一、操作系统目的/ /目标目标执行用户程序并使用户问题更易解决。执行用户程序并使用户问题更易解决。以一种有效的方式使用资源（以一种有效的方式使用资源（有效性有效

7、性-系统管理人员的观系统管理人员的观点点）。）。使计算机系统更易于使用（使计算机系统更易于使用（方便性方便性-用户的观点用户的观点）。）。采用新的采用新的OSOS结构结构, ,易于功能的增、删、改（易于功能的增、删、改（可扩充性可扩充性）。）。要求统一开放的环境，各种类型的计算机硬件系统，出自要求统一开放的环境，各种类型的计算机硬件系统，出自不同的厂家，能通过网络集成并能够正确、有效地协同工不同的厂家，能通过网络集成并能够正确、有效地协同工作，实现应用程序的移植（作，实现应用程序的移植（开放性开放性）。）。二、计算机系统组成二、计算机系统组成 1.1.计算机系统的组成计算机系统的组成 硬件系统

8、硬件系统（裸机）：（裸机）：CPUCPU、存储器（主存、存储器（主存、辅存）、辅存）、I/OI/O、I/OI/O控制系统控制系统 软件系统软件系统：系统软件、应用软件系统软件、应用软件 系统软件：系统软件：管理计算机本身的操作。如操作系统、管理计算机本身的操作。如操作系统、编译系统编译系统 应用软件：应用软件：提供给用户进行解题。如，科学计算、提供给用户进行解题。如，科学计算、事务管理事务管理计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员操作系统的地位操作系统的地位：紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下（是其他软件的共同环境）他软件

9、的共同环境）虚虚机机器器2. 2. 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构三、操作系统的作用（三、操作系统的作用（1 1） nOSOS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n命令方式命令方式n系统调用方式系统调用方式n图形、窗口方式图形、窗口方式三、操作系统的作用（三、操作系统的作用（2 2） nOSOS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管理对象包括：管理对象包括：CPUCPU、存储器、外部设备、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；信息（数据和软件）；n管理的内容：资源的当前状态（数量和使管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的

10、分配、回收和访问操作，用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）相应管理策略（包括用户权限）三、操作系统的作用（三、操作系统的作用（3 3） nOSOS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象n在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPUCPU）；）；n即即OSOS用作扩充机器用作扩充机器 (extended machine)/(extended machine)/虚拟虚拟机机(virtual machine)(virtual machine)。

11、1.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统n 人工操作方式人工操作方式n 脱机输入输出方式脱机输入输出方式批处理系统批处理系统n单道批处理系统单道批处理系统n多道批处理系统多道批处理系统分时系统分时系统实时系统实时系统微机操作系统微机操作系统多处理机操作系统多处理机操作系统网络操作系统网络操作系统分布式操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统智能卡操作系统智能卡操作系统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 1.2.1 1.2.1 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q 不断提高计算机资源利用率的需要

12、不断提高计算机资源利用率的需要q 方便用户方便用户q 器件的不断更新换代器件的不断更新换代q 计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展1.2.2 1.2.2 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统（1 1）人工操作方式）人工操作方式n工作流程工作流程：（1 1）由程序员事先穿孔（对应程序和数据）由程序员事先穿孔（对应程序和数据）（2 2）将穿孔的纸带（卡片）装入纸带（卡片）将穿孔的纸带（卡片）装入纸带（卡片) )输入机输入机（3 3）再启动输入机将程序和数据输入计算机，）再启动输入机将程序和数据输入计算机，（4 4）然后启动计算机运行）然后启动计算机运行（5 5）运行完毕取走计算

13、机结果）运行完毕取走计算机结果（6 6）下一位用户）下一位用户人工操作方式带来的矛盾及解决方法人工操作方式带来的矛盾及解决方法n缺点：缺点： （1 1）用户独占全机（资源浪费）用户独占全机（资源浪费） （2 2）CPUCPU等待人工操作：装入、取走时等待人工操作：装入、取走时CPUCPU及内存等资源空及内存等资源空闲。闲。CPUCPU既负责计算，又要负责传输。（属于单控制方式）既负责计算，又要负责传输。（属于单控制方式）n矛盾矛盾n人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的矛盾人机矛盾即人工操作方式与机器利用率的矛盾nCPUCPU与与I/OI/O设备之间速度不匹配的矛盾设备之间速度不匹配的矛盾n解决

14、方法解决方法n通道技术、缓冲技术通道技术、缓冲技术n脱机输入输出方式脱机输入输出方式（2 2）脱机输入）脱机输入/ /输出方式（输出方式（off-Line I/Ooff-Line I/O）n工作流程：（示意图）工作流程：（示意图）n优点：优点： （1 1）减少了）减少了CPUCPU的空闲时间。的空闲时间。 （2 2）提高了）提高了I/OI/O速度（与高速的磁盘打交道）速度（与高速的磁盘打交道）输入设备输入设备外围机外围机外存外存输出设备输出设备主机主机外存外存外存外存外存外存外围机外围机高速高速高速高速1.2.3 1.2.3 单道批处理系统单道批处理系统1 1、工作流程、工作流程： （1 1）

15、作业作业合成一批输入到外存上，同时在系统中配上监控程序。合成一批输入到外存上，同时在系统中配上监控程序。 （2 2）monitormonitor将作业逐个送入内存并运行。将作业逐个送入内存并运行。2 2、特征：、特征：（1 1）自动性）自动性 （2 2）顺序性）顺序性 （3 3）单道性）单道性3 3、优点：、优点：减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和系统吞减少了人工操作的时间，提高机器的利用率和系统吞吐量。吐量。4 4、缺点：、缺点：对某些作业来说，当它发出输入对某些作业来说，当它发出输入/ /输出请求后，输出请求后，CPUCPU必必须等待须等待I/OI/O的完成，特别因为的完成，特别因为

16、I/OI/O设备的低速性，从而使机器的设备的低速性，从而使机器的利用率很低。利用率很低。 用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算用户在一次解题或一个事务处理过程中要求计算机系统所做的全部工作。机系统所做的全部工作。1.2.4 1.2.4 多道批处理系统（多道批处理系统（1 1）n多道程序设计技术多道程序设计技术（2020世纪世纪6060年代中期引入）年代中期引入）n特征：特征： （1 1）多道性）多道性 （2 2）无序性）无序性 （3 3）调度性）调度性 n优点：优点： （1 1）资源（）资源（CPUCPU、内存、内存、I/OI/O设备）的利用率高设备）的利用率高 （2 2）系统吞吐量大）

17、系统吞吐量大n缺点：缺点：（1 1）平均周转周期长）平均周转周期长 （2 2）无交互能力）无交互能力n需解决问题需解决问题 处理机管理、内存管理、处理机管理、内存管理、I/OI/O设备管理、文件及作业设备管理、文件及作业管理问题管理问题单道程序运行情况单道程序运行情况用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操作t1t2t3t4t5t6t7t8I/O中断请求中断请求启动启动I/OI/O完成完成结束中断结束中断结束中断结束中断I/O完成完成启动启动I/OI/O中断请求中断请求四道程序运行情况四道程序运行情况程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D调度程序调度程序I/O请求请求I/O完成完成再被调

18、度再被调度程序程序A完成完成I/O请求请求I/O请求请求I/O请求请求I/O完成完成I/O完成完成I/O完成完成再被调度再被调度1.2.4 1.2.4 多道批处理系统（多道批处理系统（2 2）n操作系统的形成操作系统的形成 为解决上述问题，在计算机系统中增设一组为解决上述问题，在计算机系统中增设一组软件，对这些问题加以有效、妥善地解决，这组软件，对这些问题加以有效、妥善地解决，这组软件应包括：控制和管理四大资源的软件、合理软件应包括：控制和管理四大资源的软件、合理地对各类作业进行调度的软件，以及方便用户使地对各类作业进行调度的软件，以及方便用户使用计算机的软件，这样就形成了操作系统。用计算机的

19、软件，这样就形成了操作系统。操作系统：操作系统：是一组控制和管理计算机硬件和软件资是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。使用的程序的集合。卡片卡片早期批处理系统早期批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机批处理操作系统优缺点批处理操作系统优缺点n优点：优点：n作业流程自动化作业流程自动化 n效率高效率高n吞吐量高吞吐量高n缺点：缺点：n无交互手段无交互手段n调试程序困难调试程序困难1.2.5 1.2.5 分时系

20、统分时系统n分时系统分时系统(Time Sharing System)(Time Sharing System)的产生的产生 人人- -机交互、共享主机、便于用户上机机交互、共享主机、便于用户上机n分时系统的定义分时系统的定义n见图见图n实现中的关键问题实现中的关键问题 及时接收、及时处理及时接收、及时处理n分时系统的特征分时系统的特征多路性、独立性、及时性、交互性多路性、独立性、及时性、交互性主机主机终终端端1.2.6 1.2.6 实时系统实时系统(Real Time System)(Real Time System)（1 1）n实时操作系统：实时操作系统：指系统能及时（或即时）响应外部事件

21、的请求，指系统能及时（或即时）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，并控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。制所有实时任务协调一致地运行。n实时操作系统的应用领域实时操作系统的应用领域 有实时要求（有严格确定的时间限制）的领有实时要求（有严格确定的时间限制）的领域（过程控制及事务处理）域（过程控制及事务处理）-多道批处理系统多道批处理系统和分时系统不能满足和分时系统不能满足1.2.6 1.2.6 实时系统实时系统(Real Time System)(Real Time System)（2 2）n实时系统分类：实时系统分类： （1 1）实时控制系统

22、）实时控制系统 （2 2）实时信息处理系统）实时信息处理系统n实时任务：实时任务：周期性周期性/ /非周期性实时任务（截止时间）非周期性实时任务（截止时间）硬实时任务硬实时任务/ /软实时任务软实时任务n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： 多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性三种基本的操作系统三种基本的操作系统n三种基本的操作系统三种基本的操作系统批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统n通用操作系统通用操作系统如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时系统如果一个操作系统兼有批处理、分时

23、和实时系统三者或二者的功能三者或二者的功能 ，则称该操作系统为通用操，则称该操作系统为通用操作系统。作系统。1.2.7 1.2.7 微机操作系统微机操作系统n微机操作系统的特征微机操作系统的特征n应用领域应用领域：事务处理、个人娱乐事务处理、个人娱乐，n系统要求系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。n常用的微机操作系统常用的微机操作系统n单用户单任务：单用户单任务：CP/MCP/M，MS- DOSMS- DOSn单用户多任务：单用户多任务：Windows Window

24、s n多用户多任务：多用户多任务：Solaris OS, LinuxSolaris OS, Linux。1.2.8 1.2.8 多处理机操作系统多处理机操作系统n 多处理机系统引入原因多处理机系统引入原因n增加系统的吞吐量增加系统的吞吐量n规模经济、节省投资（共享外设、存储器等）规模经济、节省投资（共享外设、存储器等）n提高系统的可靠性提高系统的可靠性n 多处理机系统的类型多处理机系统的类型n紧密耦合紧密耦合MPSMPSn松散耦合松散耦合MPSMPSn 多处理机操作系统的类型多处理机操作系统的类型n非对称多处理模式（每个处理器都有各自特定的任务）非对称多处理模式（每个处理器都有各自特定的任务）

25、n对称多处理模式（每个处理器都运行同一个操作系统的拷对称多处理模式（每个处理器都运行同一个操作系统的拷贝）贝）1.2.9 1.2.9 网络操作系统网络操作系统n计算机网络的类型计算机网络的类型（按拓扑结构分为：星（按拓扑结构分为：星型、树型、总线型、环型、网状型）型、树型、总线型、环型、网状型）n网络网络OSOS的模式的模式n客户客户/ /服务器模式服务器模式n对等模式对等模式n网络网络OSOS的功能的功能通信、资源管理、网络服务、网络管理、互通信、资源管理、网络服务、网络管理、互操作能力操作能力1.2.10 1.2.10 分布式操作系统分布式操作系统n分布式系统分布式系统：能将任务：能将任务

26、处理和控制处理和控制进行分散进行分散/ /分分布的系统（相对于集中式）。布的系统（相对于集中式）。n分布式系统的两种环境分布式系统的两种环境：多处理机系统；多计：多处理机系统；多计算机系统。算机系统。l分布式分布式OSOS与网络与网络OSOS的比较的比较 1.1.分布性分布性 2.2.并行性并行性 3.3.透明性透明性 4.4.共享性共享性 5.5.健壮性健壮性 分布式系统基本特征分布式系统基本特征-处理上的分布处理上的分布，即，即功能和任务的分布。功能和任务的分布。嵌入式操作系统嵌入式操作系统 (Embedded OS(Embedded OS）的应用）的应用智能卡智能卡移动通信移动通信计算机

27、外设计算机外设机顶盒机顶盒零售设备零售设备印刷机印刷机复印机复印机互联网服务器互联网服务器电话交换设备电话交换设备1.3 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征n并发并发(concurrence)(concurrence)n共享共享(sharing)(sharing)n虚拟虚拟(virtual)(virtual)n异步性异步性(asynchronism)(asynchronism)并发并发(concurrence)(1)(concurrence)(1)n并发：并发：指在计算机系统中同时存在着多道运指在计算机系统中同时存在着多道运行的程序（行的程序（进程进程） 宏观上：多道程序宏观上：多道

28、程序同时在执行同时在执行 微观上：任何时刻微观上：任何时刻只有一道程序在执行只有一道程序在执行，即微观上多道程序在即微观上多道程序在CPUCPU上上轮流（交替）执行轮流（交替）执行（单机）（单机）n并行并行(parallel)(parallel)： 与并发相似，指多道程序与并发相似，指多道程序在同一时刻执行，但需多个硬件支持。在同一时刻执行，但需多个硬件支持。 并发并发(concurrence)(2)(concurrence)(2)n引入进程引入进程程序和进程：在多道程序系统中，程序不能独立运行，程序和进程：在多道程序系统中，程序不能独立运行，更不能和其它程序并发执行。引入进程的目的，就是更不

29、能和其它程序并发执行。引入进程的目的，就是为了使多个程序并发执行。为了使多个程序并发执行。n引入线程引入线程进程是进程是OSOS中拥有资源并独立运行的基本单位。引入线中拥有资源并独立运行的基本单位。引入线程后，把进程作为分配资源的基本单位，把线程作为程后，把进程作为分配资源的基本单位，把线程作为独立运行和独立调度的基本单位，进一步提高系统的独立运行和独立调度的基本单位，进一步提高系统的并发性。并发性。并发并发(concurrence)(3)(concurrence)(3) 注：注：1 1、程序的并发执行能有效改善系统资程序的并发执行能有效改善系统资源的利用率，但使系统复杂化，因此操作系源的利用

30、率，但使系统复杂化，因此操作系统必须对并发活动进行控制和管理。统必须对并发活动进行控制和管理。 2 2、并发是操作系统最重要的特征，并发是操作系统最重要的特征，其它特征均以并发为前提。其它特征均以并发为前提。共享共享(sharing)(sharing)n并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者互为存在条件：二者互为存在条件：l资源的共享是以程序（进程）的并发执行为条件。资源的共享是以程序（进程）的并发执行为条件。l程序的并发执行也以资源的共享为条件。程序的并发执行也以资源的共享为条件。n指系统中的资源不再为某道程序所独占，指系统中的资源不再为某道程序

31、所独占， 而是供多道程序共同使用。而是供多道程序共同使用。n资源共享方式：互斥共享方式、同时访问资源共享方式：互斥共享方式、同时访问方式方式虚拟虚拟(virtual)(virtual)n通过某种技术把一个通过某种技术把一个物理实体物理实体映射为若干个对映射为若干个对应的应的逻辑实体逻辑实体分时（时分复用技术）或分分时（时分复用技术）或分空间（空分复用技术）。空间（空分复用技术）。n虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。如：虚拟处理机（分时）、提高资源利用率。如：虚拟处理机（分时）、虚拟设备（分时）、虚拟磁盘（分空间）、虚虚拟设备（分时）

32、、虚拟磁盘（分空间）、虚拟存储器（分空间、分时）拟存储器（分空间、分时）异步性异步性(asynchronism)(asynchronism)n也称不确定性，指进程在执行中，其执行时也称不确定性，指进程在执行中，其执行时间、顺序、向前推进的速度和完成的时间等都间、顺序、向前推进的速度和完成的时间等都是不可预知的。是不可预知的。n只要在只要在OSOS中配置有完善的进程同步机制，且中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。所以，异步运行方式是允许的，相同的结果。所以，异步运行方式是允许的，是是OSOS的一个重要特征。的一

33、个重要特征。1.4 1.4 操作系统的功能操作系统的功能处理机管理处理机管理存储器管理存储器管理设备管理设备管理文件管理文件管理用户接口用户接口一、处理机管理的功能一、处理机管理的功能n处理机管理的主要任务：处理机管理的主要任务：n是对处理机进行是对处理机进行分配分配n对处理机运行对处理机运行进行有效的控制和管理进行有效的控制和管理注：注：处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理对处理机的管理可归结为对进程的管理n处理机管理的功能处理机管理的功能n进程控制进程控制n进程同步进程同步n进程通信进程通信n调度调度二、存储器管

34、理的功能二、存储器管理的功能n主要任务主要任务n为多道程序的运行提供良好的环境为多道程序的运行提供良好的环境n方便用户使用存储器方便用户使用存储器n提高存储器的利用率提高存储器的利用率n从逻辑上扩充内存从逻辑上扩充内存n功能功能n内存分配（静态分配、动态分配）内存分配（静态分配、动态分配）n内存保护内存保护n地址映射地址映射n内存扩充内存扩充三、设备管理的功能三、设备管理的功能n主要任务主要任务n完成用户提出的完成用户提出的I/OI/O请求请求n为用户分配为用户分配I/OI/O设备设备n提高提高I/OI/O设备的利用率及速度设备的利用率及速度n方便用户使用方便用户使用I/OI/O设备设备n功能

35、功能n缓冲管理缓冲管理n设备分配设备分配n设备处理设备处理n虚拟设备虚拟设备四、文件管理的功能四、文件管理的功能n主要任务主要任务n对用户文件和系统文件进行管理对用户文件和系统文件进行管理n方便用户使用文件方便用户使用文件n保证文件的安全性保证文件的安全性n功能功能n文件存储空间的管理文件存储空间的管理n目录管理目录管理n文件的读、写管理和保护文件的读、写管理和保护五、五、OSOS与用户接口管理的功能与用户接口管理的功能n主要任务主要任务n方便用户使用操作系统方便用户使用操作系统n功能功能n用户接口（联机用户接口用户接口（联机用户接口- -命令方式、命令方式、图形用户接口，脱机用户接口）图形用

36、户接口，脱机用户接口）n程序接口（系统调用）程序接口（系统调用）1.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计操作系统的结构设计经历了以下几代：操作系统的结构设计经历了以下几代：n传统的操作系统结构传统的操作系统结构n无结构操作系统无结构操作系统n模块化结构模块化结构OSOSn分层式结构分层式结构OSOSn客户客户/ /服务器模式服务器模式n面向对象的程序设计面向对象的程序设计n微内核微内核OSOS结构结构无结构操作系统无结构操作系统nOSOS是由众多的过程直接构成，各过程之间可相互是由众多的过程直接构成，各过程之间可相互调用，但调用，但OSOS内部不存在任何结构，所以这种内部不存在任何

37、结构，所以这种OSOS是是无结构的，又称为整体系统结构。无结构的，又称为整体系统结构。n缺点：缺点： 既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构；程序既庞大又杂乱，缺乏清晰的程序结构；程序错误多，调试难、阅读难、理解难、维护难。错误多，调试难、阅读难、理解难、维护难。模块化结构操作系统（模块化结构操作系统（1 1）nOSOS是采用是采用“模块化程序设计模块化程序设计”技术，按其功能划技术，按其功能划分为若干个独立的模块，管理相应的功能，同时分为若干个独立的模块，管理相应的功能，同时规定好各模块之间的接口，以实现它们的交互，规定好各模块之间的接口，以实现它们的交互，对较大模块又可按子功能进一步细分下去。所

38、以对较大模块又可按子功能进一步细分下去。所以这种这种OSOS称为模块化称为模块化OSOS结构。结构。n模块的独立性模块的独立性n关键：模块的划分和规定好模块之间的接口关键：模块的划分和规定好模块之间的接口n衡量独立性的两个标准：衡量独立性的两个标准：n内聚性：指模块内部各部分间联系的紧密程度内聚性：指模块内部各部分间联系的紧密程度n耦合度：指模块间相互联系和相互影响的程度耦合度：指模块间相互联系和相互影响的程度模块化结构操作系统（模块化结构操作系统（2 2）n优点优点n提高了提高了OSOS设计的正确性、可理解性和可维护性设计的正确性、可理解性和可维护性n增强了增强了OSOS的可适用性的可适用性

39、n加速了加速了OSOS的开发过程的开发过程n缺点：缺点：n模块及接口划分较困难模块及接口划分较困难n未区别共享资源和独占资源未区别共享资源和独占资源n由于管理上的差异，使由于管理上的差异，使OSOS结构变得不够清晰结构变得不够清晰分层式结构操作系统（分层式结构操作系统（1 1）n分层式结构是对模块化结构的一种改进，它按分层式分层式结构是对模块化结构的一种改进，它按分层式结构设计的基本原则，将结构设计的基本原则，将OS OS 划分为若干个层次，每一划分为若干个层次，每一层都只能使用其底层所提供的功能和服务，从硬件开层都只能使用其底层所提供的功能和服务，从硬件开始，在其上面一层一层地自底向上增添相

40、应功能的软始，在其上面一层一层地自底向上增添相应功能的软件，这种件，这种OSOS结构称为分层式结构称为分层式OSOS结构。结构。n特点：特点：n每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰n调试和验证更容易，正确性更高调试和验证更容易，正确性更高分层式结构操作系统（分层式结构操作系统（2 2）n分层式结构的优点：分层式结构的优点：n易保证系统的正确性易保证系统的正确性n易扩充和易维护易扩充和易维护n缺点：缺点：n系统效率降低：层次结构是分层单向依赖的，系统效率降低：层次结构是分层单向依赖的，必须在相邻层次之间建立层次间的通信机制，必须在相邻层次之间建立层

41、次间的通信机制，增加了系统开销。增加了系统开销。客户客户/ /服务器模式（服务器模式（1 1）n客户客户/ /服务器模式的组成服务器模式的组成n客户机：每台客户机都是一个自主计算机，客客户机：每台客户机都是一个自主计算机，客户进程在运行户进程在运行n服务器：一台规模较大的机器，为网上所有的服务器：一台规模较大的机器，为网上所有的用户提供一种或多种服务。用户提供一种或多种服务。n网络系统：用于连接所有客户机和服务器，实网络系统：用于连接所有客户机和服务器，实现它们之间的通信和网络资源共享。现它们之间的通信和网络资源共享。n客户客户/ /服务器之间的交互：服务器之间的交互：n客户发送请求消息、服务

42、器接收消息客户发送请求消息、服务器接收消息n服务器回送消息、客户机接收消息服务器回送消息、客户机接收消息客户客户/ /服务器模式（服务器模式（2 2）n客户客户/ /服务器模式的优点服务器模式的优点n数据的分布处理和存储。数据的分布处理和存储。n便于集中管理。便于集中管理。n灵活性和可靠性。灵活性和可靠性。n易于改编应用软件易于改编应用软件n不足之处不足之处n存在着不可靠性和瓶颈问题存在着不可靠性和瓶颈问题n改进方法：在网络中配置多个服务器，并采改进方法：在网络中配置多个服务器，并采取相应的安全措施。取相应的安全措施。面向对象的程序设计面向对象的程序设计n面向对象技术的基本概念面向对象技术的基

43、本概念n对象对象n类类n继承继承n面向对象技术的优点面向对象技术的优点n通过通过“重用重用”提高产品质量和生产率。提高产品质量和生产率。n使系统具有更好的易修改性和易扩展性。使系统具有更好的易修改性和易扩展性。n更易于保证更易于保证“正确性正确性”和和“可靠性可靠性”微内核的微内核的OSOS结构（结构（1 1）n微内核技术的主要思想微内核技术的主要思想 在在OSOS内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成分离出去，由工作在用户态下的进程来实现，形成“客户客户/ /服务器服务器”模式。客户进程可通过内核向服务

44、器进程发送请模式。客户进程可通过内核向服务器进程发送请求，以取得求，以取得OSOS的服务。的服务。n微内核微内核 精心设计的，能实现现代精心设计的，能实现现代OSOS核心功能的小型内核，它核心功能的小型内核，它小而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内小而精炼，运行在核心态下，开机后常驻内存，不会因内存紧张而换出，它为构建通用存紧张而换出，它为构建通用OSOS提供了一个重要基础。提供了一个重要基础。微内核的微内核的OSOS结构（结构（2 2）n微内核微内核OSOS的基本概念的基本概念在进行现代在进行现代OSOS结构设计时，大多采用基于客户结构设计时，大多采用基于客户/ /服服务器模式的

45、微内核结构，将务器模式的微内核结构，将OSOS分为两部分：微分为两部分：微内核和多个服务器。内核和多个服务器。n足够小的内核足够小的内核n基于客户基于客户/ /服务器模式服务器模式n应用应用“机制与策略分离机制与策略分离”原理原理n采用面向对象技术采用面向对象技术n微内核的基本功能微内核的基本功能n进程（线程）管理进程（线程）管理n低级存储器管理低级存储器管理n中断和陷入处理中断和陷入处理n优点：微内核优点：微内核OSOS结构是建立在模块化、层次化结构的基结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，并采用了础上的，并采用了C/SC/S模式和模式和OOOO的程序设计技术的程序设计技术n提高了系统的

46、可扩展性提高了系统的可扩展性n增强了系统的可靠性增强了系统的可靠性n提供了对分布式系统的支持提供了对分布式系统的支持n融入了面向对象技术融入了面向对象技术微内核的微内核的OSOS结构（结构（3 3）n微内核微内核OSOS存在的问题存在的问题n与早期的与早期的OSOS相比，微内核相比，微内核OSOS的运行效率的运行效率有所降低有所降低n最主要的原因：最主要的原因：P32P32微内核的微内核的OSOS结构（结构（4 4）1.6 UNIX1.6 UNIX系统简介系统简介nUNIXUNIX系统的发展系统的发展nUNIXUNIX系统的特性系统的特性n开放性（系统遵循国际标准规范）开放性（系统遵循国际标准

47、规范）n多用户、多任务环境多用户、多任务环境n功能强大、实现高效功能强大、实现高效n提供丰富的网络功能提供丰富的网络功能n支持多处理机的功能支持多处理机的功能nUNIXUNIX系统的内核结构系统的内核结构P356 P356 图图10-110-1UNIXUNIX系统的发展系统的发展nUNIXUNIX系统是美国贝尔实验室的两名程序员系统是美国贝尔实验室的两名程序员K.ThompsonK.Thompson和和D.M.RitchieD.M.Ritchie为为PDP-7PDP-7机器所设计和实现的一个分时机器所设计和实现的一个分时操作系统。操作系统。n最初采用汇编语言编写，后采用了最初采用汇编语言编写，

48、后采用了C C语言，并先后形成语言，并先后形成了第了第3 3、4 4、5 5、6 6、7 7版、版、UNIX System v2.0(UNIX SVR UNIX System v2.0(UNIX SVR 2)2)、UNIX SVR 3UNIX SVR 3、 UNIX SVR 4UNIX SVR 4、 UNIX SVR 4.2UNIX SVR 4.2版本版本以及以及BSD UNIXBSD UNIX版本系列。版本系列。 nUNIXUNIX是目前世界上最成功、最流行的是目前世界上最成功、最流行的OSOS之一。之一。nUNIXUNIX操作系统发展历程图（下页）操作系统发展历程图（下页）SVR4 198

49、9IBMAIXSun Solaris第10版1988System III 1982System v 1983SvR2 1984SVR3 19871 BSD 19772 BSD 19783 BSD 19784.0 BSD 19794.3 BSD 19864.4 BSD 1992第1版1969年第5版1973第6版1976第7版1978第8版1982第9版1986Bell LabsUNIX版本发展历史1.7 1.7 自由软件和自由软件和LinuxLinux操作系统操作系统(1)(1)n商业软件商业软件 共享软件共享软件 自由软件自由软件n自由软件是指遵循通用公共许可证自由软件是指遵循通用公共许可证

50、GPLGPL（General Public LicenseGeneral Public License）规则，保证）规则，保证使用上的自由、获得源程序的自由，可以使用上的自由、获得源程序的自由，可以自己修改的自由，可以复制和推广的自由，自己修改的自由，可以复制和推广的自由，也可以有收费的自由也可以有收费的自由的一种软件。的一种软件。n自由软件出现的意义自由软件出现的意义 。自由软件和自由软件和LinuxLinux操作系统操作系统(2)(2)自由软件与自由软件与 Richard Stallman(1)n七十年代后期很多软件不再提供源码，使用七十年代后期很多软件不再提供源码，使用户无法修改软件中的

51、错误，使用尤为不便。户无法修改软件中的错误，使用尤为不便。nGNUGNU的含义是的含义是G GNU is NU is N Not ot U UNIXNIX（递归定义），（递归定义），是一个自由软件工程项目，由自由软件的倡是一个自由软件工程项目，由自由软件的倡导者导者Richard StallmanRichard Stallman先生指导并启动的一先生指导并启动的一个组织成立了自由软件基金会个组织成立了自由软件基金会(FSF) (FSF) 。目的。目的是为了建立免费的是为了建立免费的UNIXUNIX系统。系统。自由软件和自由软件和LinuxLinux操作系统操作系统(3)(3)自由软件与自由软件

52、与 Richard stallman(2)Richard stallman(2)n GNU GNU写出一套和写出一套和UNIXUNIX兼容，但兼容，但又是自由软件的又是自由软件的UNIXUNIX系统，系统，GNU GNU 完成了大部分外围工作，包括外完成了大部分外围工作，包括外围命令围命令gcc/ gccgcc/ gcc+, shell, shell等，最等，最终终LinuxLinux内核为内核为GNUGNU工程划上了一工程划上了一个完美句号。个完美句号。自由软件和自由软件和LinuxLinux操作系统操作系统(4) (4) 自由软件的经典之作：自由软件的经典之作： C+C+编译器、编译器、O

53、bjective CObjective C、FORTRAN77FORTRAN77、C C 库、库、BSD emailBSD email、BINDBIND、PerlPerl、ApacheApache、TCP/IPTCP/IP、IP accountingIP accounting、HTTPserverHTTPserver、Lynx WebLynx Web、LinuxLinux操作系统操作系统(1)(1)nLinuxLinux是由芬兰藉科学家是由芬兰藉科学家Linus TorvaldsLinus Torvalds于于19911991年编写完成的操作系统内核。年编写完成的操作系统内核。n许多人对许多人

54、对LinuxLinux进行改进、扩充、完善，进行改进、扩充、完善，做出了关键性贡献做出了关键性贡献-Linux-Linux由最初一个由最初一个人写的原型变成在人写的原型变成在InternetInternet上由无数志上由无数志同道合的程序高手们参与的一场运动。同道合的程序高手们参与的一场运动。LinuxLinux操作系统操作系统(2)(2) LinuxLinux技术特点技术特点(1)(1) (1) (1) 继承了继承了UNIXUNIX的优点，有许多改进，是集的优点，有许多改进，是集体智慧的结晶，能紧跟技术发展潮流，具有极体智慧的结晶，能紧跟技术发展潮流，具有极强的生命力；强的生命力； (2)

55、(2) 通用操作系统，可作为通用操作系统，可作为InternetInternet上的服上的服务器；网关路由器；可用做文件和打印服务器；务器；网关路由器；可用做文件和打印服务器；也可供个人使用；也可供个人使用； (3) (3) 内置通信联网功能，可让异种机联网；内置通信联网功能，可让异种机联网； LinuxLinux操作系统操作系统(3)(3) LinuxLinux技术特点技术特点(2)(2) (4) (4) 开放源代码，有利于发展各种特色的操开放源代码，有利于发展各种特色的操作系统；作系统； (5) (5) 符合符合POSIXPOSIX标准（可移植操作系统接标准（可移植操作系统接口），各种口），各种UNIXUNIX应用可方便地移植到应用可方便地移植到LinuxLinux下；下； (6) (6) 提供庞大的管理功能和远程管理功能；提供庞大的管理功能和远程管理功能； (7) (7) 支持大量外