计算机操作系统课件

1、南京工业大学信息学院计算机系南京工业大学信息学院计算机系2 总总 目目 录录第第1章章 操作系统引论操作系统引论第第2章章 进程管理进程管理第第3章章 处理机调度与死锁处理机调度与死锁第第4章章 存储器管理存储器管理第第5章章 设备管理设备管理第第6章章 文件管理文件管理第第7章章 操作系统接口操作系统接口3课内上机实验课内上机实验1. 进程的创建进程的创建2. 线程的创建线程的创建3. 进程同步进程同步4. 进程通信进程通信5. 进程调度进程调度6. 银行家算法银行家算法7. 页面置换算法的模拟页面置换算法的模拟8. 磁盘磁盘I/O9. 命令解释程序命令解释程序【说明说明】以上以上9个上机实

2、验，共计个上机实验，共计22学时学时(包括包括2个进阶要求个进阶要求的的4学时学时)，可以选择其中的，可以选择其中的4次实验次实验(共共8学时学时)作为课内上机作为课内上机实验任务。实验任务。第第1次实验次实验(进程管理进程管理)第第2次实验次实验(调度与死锁调度与死锁)第第4次实验次实验(操作系统接口操作系统接口)第第3次实验次实验(存储器管理存储器管理)(设备管理设备管理)(4选选1)(2选选1)(2选选1)4第第1 1章章 操作系统引论操作系统引论 1.1 OS的目标和作用的目标和作用1.2 OS的发展过程的发展过程 1.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征 1.4 操作系统的主要功

3、能操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计第第1章复习题章复习题51.1.1 OS的目标的目标n 有效性有效性n 方便性方便性n 可扩展性可扩展性n 开放性开放性操作系统（操作系统（Operating System , OS）是计算机硬）是计算机硬件上的第一层软件，是计算机必须配置的最基件上的第一层软件，是计算机必须配置的最基本、最重要的系统软件。本、最重要的系统软件。1.1 OS的目标和作用的目标和作用61有效性有效性(早期早期OS的主要目标的主要目标)n有效提高有效提高CPU和和I/O设备利用率设备利用率n提高的方法：提高的方法：合理地组织计算机的合理地组织计算机的

4、工作流程工作流程2方便性方便性(现在现在OS越来越重视方便性越来越重视方便性)n可使计算机系统更容易使用可使计算机系统更容易使用( (解释之解释之) )方便性和有效性是设计方便性和有效性是设计OS的两个最重要的目标的两个最重要的目标73可扩展性可扩展性n计算机硬件和体系结构的发展，对计算机硬件和体系结构的发展，对OS提出了更提出了更高的功能和性能要求高的功能和性能要求n计算机网络，特别是计算机网络，特别是Internet的发展，也对的发展，也对OS提提出了一系列更高的要求出了一系列更高的要求为什么要有可扩充性？为什么要有可扩充性？ 因为：因为：OS为了能适应发展的要求，须具有良好的可扩充性。为

5、了能适应发展的要求，须具有良好的可扩充性。如何才有可扩充性？如何才有可扩充性？ 应采用新的应采用新的OS结构，如微内核结构和客户服务器结构，如微内核结构和客户服务器模式。模式。84开放性开放性v 为什么要有开放性？为什么要有开放性？计算机网络，特别是计算机网络，特别是LANLAN的迅速发展，使的迅速发展，使OSOS的应的应用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计用环境由单机转向网络环境。为使不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须具有统一的开放环

6、境，进而要求性，必须具有统一的开放环境，进而要求OSOS具有具有开放性。开放性。 v 什么是开放性？什么是开放性？开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（循开放系统互连（OSIOSI）国际标准。）国际标准。9n从用户观点看，从用户观点看，OS是用户和计算机硬件系统是用户和计算机硬件系统之间的之间的接口接口n从资源管理观点看，从资源管理观点看，OS是计算机系统资源是计算机系统资源（软、硬）的（软、硬）的管理者管理者1.1.2 OS的作用的作用1OS作为用户和计算机硬件系统的接口作为用户和计算机硬件系统的接口2OS作为计算机资源的管理者作

7、为计算机资源的管理者3OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象操作系统的作用操作系统的作用:101.OS作为用户和计作为用户和计算机硬件系统的算机硬件系统的接口接口( (用户接口用户接口) )用用 户户系统调用系统调用 命令命令 窗口窗口操作系统操作系统应用程序应用程序计算机硬件计算机硬件图图1-1 1-1 操作系统作为用户接口示意图操作系统作为用户接口示意图用户可以通过三种用户可以通过三种方式使用计算机方式使用计算机： 命令方式（键盘命令）命令方式（键盘命令） 图标、窗口方式图标、窗口方式（GUI） 系统调用方式系统调用方式（程序接口程序接口）操作接口操作接口1.1.2 OS的作

8、用的作用11n计算机系统资源可归结为四类：处理器、存计算机系统资源可归结为四类：处理器、存储器、储器、I/O设备、信息（数据和程序）设备、信息（数据和程序）nOS的主要功能也正是针对这四类资源进行的主要功能也正是针对这四类资源进行有效管理：有效管理：2. OS作为计算机资源的管理者作为计算机资源的管理者l处理机管理：分配和控制处理机处理机管理：分配和控制处理机l存储器管理：主要是内存分配和回收存储器管理：主要是内存分配和回收lI/O设备管理：设备管理：I/O设备的分配与操纵设备的分配与操纵l文件管理：文件的存取、共享和保护文件管理：文件的存取、共享和保护12n完全无软件的计算机完全无软件的计算

9、机裸机。裸机。n“裸机裸机”难于使用。难于使用。n裸机覆盖了一层裸机覆盖了一层I/O设备管理软件如图设备管理软件如图1-2所示，由它来实所示，由它来实现对现对I/O设备操作的细节，并向上提供一组设备操作的细节，并向上提供一组I/O操作命令，操作命令，如如Read和和Write命令，用户可以利用它进行数据输入命令，用户可以利用它进行数据输入/输出，输出，而无需关心而无需关心I/O实现的细节。此时用户所看到的是一台功能实现的细节。此时用户所看到的是一台功能显著增强、使用极为方便的的机器，它向上提供了一组抽显著增强、使用极为方便的的机器，它向上提供了一组抽象的象的I/O设备，称为扩充机或虚拟机。设备

10、，称为扩充机或虚拟机。3. OS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象虚拟性虚拟性是是OSOS的基本的基本特征之一特征之一用户用户用户用户物理接口物理接口硬件硬件物理接口物理接口硬件硬件I/O软件软件I/O操作命令操作命令(Read, Write)机器指令机器指令虚拟机虚拟机图图1-2 I/O软件隐藏了软件隐藏了I/O操作实现的细节操作实现的细节第一层软件第一层软件第二层软件第二层软件13为了方便用户使用文件系统，又在第一层软件上再为了方便用户使用文件系统，又在第一层软件上再覆盖一层用于文件的管理软件，用它来实现对文件覆盖一层用于文件的管理软件，用它来实现对文件操作的细节，并向上提供

11、一组对文件进行存取操作操作的细节，并向上提供一组对文件进行存取操作的命令。的命令。第二个层次的抽象第二个层次的抽象。又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软又在文件管理软件上再覆盖一层面向用户的窗口软件，用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形件，用户便可在窗口环境下方便地使用计算机，形成一台功能更强的虚拟机。成一台功能更强的虚拟机。由此可知，操作系统是铺设在硬件上的多层系统软由此可知，操作系统是铺设在硬件上的多层系统软件，它们不仅增强了系统功能，而且还隐藏了对硬件，它们不仅增强了系统功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现对计算机硬件的多个层件操作的细节，由它们实现对计算机硬件的多

12、个层次的抽象。次的抽象。141.1.3 推动推动OS发展的主要动力发展的主要动力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。2方便用户方便用户: 继续发展的因素继续发展的因素分时系统分时系统（或称或称多用户多用户系统系统）3器件的不断更新换代器件的不断更新换代 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 最初发展的动力。最初发展的动力。批处理系统批处理系统8位机位机16位机位机32位机位机64位机位机(8位位OS 16位位OS . )单机系统单机系统多处理机系统：单机多处理机系统：单机OS多处理机多处理机OS 计算机网络：网络计算机网络：网络OS151.2 OS的发展过程的发

13、展过程 n20世纪世纪50年代中期，第一个简单的批处理年代中期，第一个简单的批处理系统系统 n60年代中期，多道程序批处理系统，随后年代中期，多道程序批处理系统，随后出现分时系统出现分时系统 n上世纪上世纪80年代开始至年代开始至21世纪初，微型机、世纪初，微型机、多处理机、计算机网络大发展年代多处理机、计算机网络大发展年代微机微机OS、多处理机、多处理机OS和网络和网络OS的形成和大发的形成和大发展年代。展年代。 161.2.1 无无OS的计算机系统的计算机系统 n人工操作方式人工操作方式 n脱机输入脱机输入/输出（输出（Off-Line I/O）方式）方式 （20世纪世纪50年代末年代末

14、）这一时期有两种操作方式：这一时期有两种操作方式：171人工操作方式人工操作方式 n程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机）；输入机）；n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；n然后启动计算机运行。然后启动计算机运行。n当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下当程序运行完毕并取走计算结果后，才让下一个用户上机。一个用户上机。 缺点：缺点：n 用户独占全机；用户独占全机；n CPUCPU等待人工操作等待人工操作182脱机输入脱机输入/输出方式输出

15、方式 优点优点： （1）减少了）减少了CPU的空闲时间的空闲时间 （2）提高了）提高了I/O速度速度外围机外围机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机磁带机外围机外围机输出机输出机主机主机输入设备输入设备图图1-2 脱机脱机I/O示意图示意图191.2.2 单道批处理系统单道批处理系统 l把一批作业以脱机方式输入到磁带上；把一批作业以脱机方式输入到磁带上； l在监督程序在监督程序（Monitor）控制下使这批作业）控制下使这批作业 一个接一个地连续处理。一个接一个地连续处理。参看下页的图参看下页的图1-3它是它是OS的前身，而非现在人们理解的的前身，而非现在人们理解的OS。 1. 单道批处

16、理系统的处理过程单道批处理系统的处理过程20开始开始还有下一还有下一个作业？个作业？停止停止把下一个作业的源程把下一个作业的源程序转换为目标程序序转换为目标程序源程序有源程序有错吗？错吗？装配目标装配目标程序程序目标程序运行目标程序运行直到结束直到结束否否是是是是否否图图1-3 单道批处理系统的处理流程单道批处理系统的处理流程212. 单道批处理系统的特征单道批处理系统的特征(1) 自动性自动性在磁带上的作业能自动地逐个地依次在磁带上的作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预。运行，而无需人工干预。(2) 顺序性顺序性(3) 单道性单道性磁带上的各道作业是顺序地进入内存，磁带上的各道作业是顺

17、序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序相同，即先调入内存的作业先的顺序相同，即先调入内存的作业先完成。完成。在内存中仅有一道程序运行，即监督程在内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内序每次从磁带上只调入一道程序进入内存，当该程序完成或发生异常情况时，存，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。才换入其后继程序进入内存运行。221.2.3 多道批处理系统多道批处理系统n多道程序设计的基本概念多道程序设计的基本概念 20世纪世纪60年代中期年代中期 n 用户提交的作业事先存放在外存上，形用户提交的作业事先

18、存放在外存上，形成成“后备队列后备队列” n 作业调度程序按一定算法从后备队列中作业调度程序按一定算法从后备队列中选择若干作业调入内存，使它们共享选择若干作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。和系统中的各种资源。 好处好处： （1）提高）提高CPU利用率利用率（2）提高内存和）提高内存和I/O设备利用率设备利用率（3）增加系统吞吐量）增加系统吞吐量 23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： 多道程序在内存中并发执行。提高多道程序在内存中并发执行。提高了资源利用率和系统吞吐量。了资源利用率和系统吞吐量。 ( (2) ) 无序性无序性： 先进入内存的作

19、业可能后完成；先进入内存的作业可能后完成；后进入内存的作业可能先完成。后进入内存的作业可能先完成。 ( (3) ) 调度性调度性： 作业从提交到完成，需经过两种作业从提交到完成，需经过两种调度：调度：作业调度作业调度和和进程调度进程调度。 24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。）资源利用率高。(CPU(CPU、内存、内存、I/OI/O设备利用率设备利用率) ) （2）系统吞吐量大。）系统吞吐量大。 （3）周转时间长。）周转时间长。 （4 4）无交互能力。）无交互能力。 系统吞吐量是指系统在单位系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。时间内所完成的总工

20、作量。 作业周转时间是指从作业进入系作业周转时间是指从作业进入系统（提交）开始，直至它完成并统（提交）开始，直至它完成并退出系统为止所经历的时间。退出系统为止所经历的时间。 对修改和调试程序对修改和调试程序极不方便。极不方便。 25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( (处理机分配、提高利用率处理机分配、提高利用率) )（2 2）内存管理问题）内存管理问题( (分配、保护等分配、保护等) )（3 3）I/OI/O设备管理问题设备管理问题( (方便用户、提高利用率方便用户、提高利用率) )（4 4）文件管理问题）文件管理问题( (方便用

21、户、数据安全一致方便用户、数据安全一致) )（5 5）作业管理问题）作业管理问题( (计算型、计算型、I/OI/O型不同处理型不同处理) )261.2.4 分时系统分时系统 n分时系统分时系统是指在一台主机上连接多个是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的带有显示器和键盘的终端终端，同时允许多个，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。算机，共享主机中的资源。 271. 分时系统的产生分时系统的产生 是为了满足用户的以下需求而产生的：是为了满足用户的以下需求而产生的： （1）人）人- -机交互机交互（2）共享主机）共享主机（

22、3）便于用户上机）便于用户上机 282分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题 （1）及时接收及时接收（2）及时处理及时处理 n 用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存用户作业不能先进入磁盘，然后再调入内存n 不允许一个作业长期占用处理机，直至它运不允许一个作业长期占用处理机，直至它运行结束或出现行结束或出现I/O请求后，方才调度其它作业请求后，方才调度其它作业运行运行n 应该规定每个作业只运行一个很短的时间应该规定每个作业只运行一个很短的时间（称为（称为时间片时间片） 要做到上述两条，必须彻底改变批处理系统的运要做到上述两条，必须彻底改变批处理系统的运行方式，即：行方式，即：293分

23、时系统的特征分时系统的特征 （1）多路性：）多路性： 允许一台主机上同时联接多个联允许一台主机上同时联接多个联机终端机终端（2）独立性：）独立性： 每个用户各占一个终端，彼此独每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。立操作，互不干扰。 （3）及时性：）及时性： 用户的请求能在很短时间内获得用户的请求能在很短时间内获得响应。响应。 （4）交互性：）交互性： 用户可通过终端与系统进行广泛的用户可通过终端与系统进行广泛的对话。对话。 301.2.5 实时系统实时系统 实时系统实时系统（Real-Time System） 是指系统能及时响应外部事件是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完

24、成该事件的请求，在规定时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。一致地运行。定义：定义：311应用需求应用需求 （1）实时控制。）实时控制。飞机或火车的订票系统、情报检索系统等飞机或火车的订票系统、情报检索系统等 。（2）实时信息处理。）实时信息处理。实时数据采集处理；执行机构；自动控制实时数据采集处理；执行机构；自动控制322实时任务实时任务 在实时系统中必然存在着若干个实时任务，这些实时在实时系统中必然存在着若干个实时任务，这些实时任务通常与某个（某些）外部设备相关，能反映或控任务通常与某个（某些）外部设备相关，能反映或控制相应的外部设备，因而

25、带有某种程度的紧迫性。制相应的外部设备，因而带有某种程度的紧迫性。 周期性周期性实时任务实时任务按指定周期循环执行，以便按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备。周期性地控制某外部设备。非周期性非周期性实时任务实时任务 外部设备发出的激励信号无外部设备发出的激励信号无明显周期性，但都必须联系明显周期性，但都必须联系着一个着一个截止时间截止时间。开始截止时间开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行任务在某时间以前必须开始执行完成截止时间完成截止时间任务在某时间以前必须完成任务在某时间以前必须完成分类：按执行是否周期性划分分类：按执行是否周期性划分33分类：实时任务按对截止时间要求划分分类：

26、实时任务按对截止时间要求划分硬实时任务硬实时任务 软实时任务软实时任务 系统必须满足任务对截止时间系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难于预的要求，否则可能出现难于预测的结果。测的结果。它也联系着一个截止时间，但它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。响也不会太大。343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：）多路性： 实时系统的多路性主要表现在：系统经常对多路实时系统的多路性主要表现在：系统经常对多路的现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执的现

27、场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。行机构进行控制。 （2）独立性：）独立性： 实时系统中对信息的采集和对对象的控制，也都实时系统中对信息的采集和对对象的控制，也都是彼此互不干扰是彼此互不干扰 （3）及时性：）及时性： 实时系统的及时性，是以控制对象所要求的开实时系统的及时性，是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的。一般为始截止时间或完成截止时间来确定的。一般为秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至有的要低于秒级、百毫秒级直至毫秒级，甚至有的要低于100微秒。微秒。 （4）交互性：）交互性： 实时系统的交互性仅限于访问系统中某些特定实时系统的交互性仅限于访问系统中某些

28、特定的专用服务程序，不象分时系统那样能向终端的专用服务程序，不象分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。用户提供数据处理服务、资源共享等服务。 （5）可靠性可靠性： 实时系统要求系统高度可靠，往往采用多级容实时系统要求系统高度可靠，往往采用多级容错措施来保证系统的安全性及数据的安全性。错措施来保证系统的安全性及数据的安全性。 351.2.6 微机操作系统的发展微机操作系统的发展1单用户单任务操作系统单用户单任务操作系统1)CP/M 上世纪上世纪70年代年代(8位机位机)2)MS-DOS 上世纪上世纪80年代年代(16位机位机/32位机位机)2单用户多任务操作系统单用户多任务操

29、作系统Windows 95Windows 98Windows XPWindows NT兼容兼容16位应用程序位应用程序的的32位操作系统位操作系统363多用户多任务操作系统多用户多任务操作系统UNIX OS(AT&T的的Bell实验室实验室)Solaris OS(SUN公司公司)Linux OS(UNIX重要变种，芬兰学生；集体开发重要变种，芬兰学生；集体开发)37操作系统的定义操作系统的定义 操作系统是一组控制和管理计算机操作系统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，以及方便用户使用的业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。程

30、序的集合。无统一的定义无统一的定义381.3 操作系统的基本特征操作系统的基本特征 1.3.1 并发并发（Concurrence） OS最重要的特征，其它三个特征都以并发为前提的。最重要的特征，其它三个特征都以并发为前提的。 并行与并发：并行与并发：并行性并行性两个或多个事件在同一时刻发生。两个或多个事件在同一时刻发生。 并发性并发性两个或多个事件在同一时间间隔内发生。两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一

31、时刻却只能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分刻却只能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。若计算机系统中有多个处理机，则这些时地交替执行。若计算机系统中有多个处理机，则这些可以并发执行的程序可被分配到多个处理机上，实现并可以并发执行的程序可被分配到多个处理机上，实现并行执行。行执行。 39与并发紧密相连的概念与并发紧密相连的概念进程进程通常的程序是静态实体，它是不能并发执行通常的程序是静态实体，它是不能并发执行的。为了使程序能并发执行，系统必须分别的。为了使程序能并发执行，系统必须分别为每个程序建立为每个程序建立进程进程（Process）。）。 进程是指在系统中能独立运行

32、并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个活动实体。多个进程之间可以多个进程之间可以并发执行并发执行和交换信息。和交换信息。40n 在在OS中引入进程的目的，是使多个程序中引入进程的目的，是使多个程序能并发执行。能并发执行。n 进程和并发是现代进程和并发是现代OS中最重要的基本概中最重要的基本概念，也是念，也是OS运行的基础。运行的基础。n 直到直到80年代中期，人们才提出了比进程年代中期，人们才提出了比进程更小的单位更小的单位 线程（线程（Threads）。）。n 一个进程通常包含若干线程。一个进程通常包含若干线程。n 近年来推出的近年来推出的OS 都引入了线程

33、。都引入了线程。关于关于进程进程、线程线程的初步概念：的初步概念：411.3.2 共享共享（sharing） 共享是指系统中的资源可供内存中多个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。并发执行的进程（线程）共同使用。 目前主要有以下两种资源共享方式：目前主要有以下两种资源共享方式： （1）互斥共享方式互斥共享方式 对于对于临界资源临界资源，要求被互斥地共享。，要求被互斥地共享。 什么叫临界资源？什么叫临界资源？ 临界资源例子。临界资源例子。（2）同时访问方式同时访问方式 对于对于共享资源共享资源允许在一段时间内由多个进程允许在一段时间内由多个进程“同时同时”对它进行访问。

34、这对它进行访问。这里所说的里所说的“同时同时”往往是宏观上的，而微观上，这些进程往往是宏观上的，而微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。可能是交替地对该资源进行访问。 共享资源共享资源42n 资源的共享是以进程的并发执行为条件的，若资源的共享是以进程的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；享问题；n 若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序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

35、本无法并发执行。 并发并发和和共享共享是操作系统的两个最基本的特是操作系统的两个最基本的特征，它们是互为存在条件的。征，它们是互为存在条件的。431.3.3. 虚拟虚拟（Virtual） 虚拟虚拟是指通过某种技术把一个物理实体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。变为若干个逻辑上的对应物。 OSOS中利用了两种方式实现中利用了两种方式实现虚拟技术虚拟技术，即时分复，即时分复用技术和空分复用技术，分别用来实现用技术和空分复用技术，分别用来实现虚拟处理虚拟处理机机、虚拟内存虚拟内存、虚拟外部设备虚拟外部设备和和虚拟信道虚拟信道等。等。 441. 时分复用技术时分复用技术时分复用技

36、术最早用于电信行业，它将一条物理信道虚时分复用技术最早用于电信行业，它将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道，将每条逻辑信道供一对用户通话。拟为多条逻辑信道，将每条逻辑信道供一对用户通话。操作系统中利用时分复用技术来实现操作系统中利用时分复用技术来实现虚拟处理机、虚拟处理机、虚拟虚拟设备设备等，以提高资源利用率。等，以提高资源利用率。1) 1) 虚拟处理机技术虚拟处理机技术利用多道程序设计技术，为每道程序建立一个进程，让利用多道程序设计技术，为每道程序建立一个进程，让多道程序并发地执行，以此来分时使用一台处理机。此多道程序并发地执行，以此来分时使用一台处理机。此时，虽然系统中只有一台处理机，但它能同

37、时为多个用时，虽然系统中只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为有一台处理机在专门为户服务，使每个终端用户都认为有一台处理机在专门为他服务，亦即把一台物理上的他服务，亦即把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为，也称为虚拟处理机虚拟处理机。 45通过通过虚拟设备虚拟设备技术，将一台物理技术，将一台物理I/O设备虚拟为多设备虚拟为多台逻辑上的台逻辑上的I/O设备，允许每个用户占用一台逻辑设备，允许每个用户占用一台逻辑上的上的I/O设备，这样便可使原来在一段时间仅允许设备，这样便可使原来在一段时间仅允许一个用户访问的设备（即临界资源），变为在一段

38、一个用户访问的设备（即临界资源），变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。例如，时间内允许多个用户同时访问的共享设备。例如，虚拟打印机。虚拟打印机。2) 虚拟设备技术虚拟设备技术462. 空分复用技术空分复用技术上世纪初，电信业中就利用频分复用技术来提高上世纪初，电信业中就利用频分复用技术来提高信道的利用率。计算机中使用空分复用技术来提信道的利用率。计算机中使用空分复用技术来提高存储空间的利用率。高存储空间的利用率。1) 虚拟磁盘技术虚拟磁盘技术通过虚拟磁盘技术，将一台硬盘虚拟成多台虚拟通过虚拟磁盘技术，将一台硬盘虚拟成多台虚拟磁盘，这样使用起来方便、安全。虚拟磁盘技术磁盘，这样使用起

39、来方便、安全。虚拟磁盘技术采用了空分复用技术，它将硬盘划分成几个卷，采用了空分复用技术，它将硬盘划分成几个卷，再通过安装程序将它们分别安装在再通过安装程序将它们分别安装在C、D、E .逻逻辑驱动器上。辑驱动器上。磁盘分区磁盘分区472) 虚拟存储器技术虚拟存储器技术在单道程序环境下，内存会有很多空闲空间，空分复在单道程序环境下，内存会有很多空闲空间，空分复用则是利用存储器的空闲空间来存放其它程序，以提用则是利用存储器的空闲空间来存放其它程序，以提高内存利用率。高内存利用率。单纯的空分复用存储器只能提高内存的利用率，不能单纯的空分复用存储器只能提高内存的利用率，不能实现在逻辑上扩大存储器容量的功

40、能，必须引入实现在逻辑上扩大存储器容量的功能，必须引入虚拟虚拟存储技术存储技术才能达到此目的才能达到此目的。虚拟存储器技术在本质上虚拟存储器技术在本质上就是使内存时分复用和空分复用。该技术将一道程序就是使内存时分复用和空分复用。该技术将一道程序划分成若干部分，物理内存也划分成多个部分，通过划分成若干部分，物理内存也划分成多个部分，通过“请求调入功能请求调入功能”和和“置换功能置换功能”，每次只把用户程，每次只把用户程序的一部分调入内存运行，这样便实现了用户程序各序的一部分调入内存运行，这样便实现了用户程序各个部分分时进入内存运行的功能，从而在逻辑上扩充个部分分时进入内存运行的功能，从而在逻辑上

41、扩充存储器的容量。存储器的容量。484 异步性异步性（Asynchronism） n 由于资源等因素的限制，使进程的执行通常不是由于资源等因素的限制，使进程的执行通常不是“一气呵成一气呵成”，而是以，而是以“停停等等停停等等”的方式运行。的方式运行。 n 内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成等等，都是不可预知的。很可能是先进才能完成等等，都是不可预知的。很可能是先进入内存的

42、作业后完成，而后进入内存的作业先完入内存的作业后完成，而后进入内存的作业先完成，或者说，进程是以人们不可预知的速度向前成，或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。推进，此即进程的异步性。 491.4 1.4 操作系统的主要功能操作系统的主要功能 n 处理机管理功能处理机管理功能n 存储器管理功能存储器管理功能n 设备管理功能设备管理功能 n 文件管理功能文件管理功能n 用户接口用户接口 501.1. 处理机管理功能处理机管理功能 在传统的多道程序设计系统中，处理机的在传统的多道程序设计系统中，处理机的分配和运行，都是以进为基本单位的，因分配和运行，都是以进为基本单位的，因

43、而对处理机的管理，而对处理机的管理，可以归结为对进程的可以归结为对进程的管理管理。 在引入线程的在引入线程的OS中，还包含对中，还包含对线程线程的管理。的管理。 也可称为也可称为进程管理进程管理51处理机管理的主要功能是：处理机管理的主要功能是：创建和撤消进程（线程）创建和撤消进程（线程）对诸进程（线程）的运行进行协调对诸进程（线程）的运行进行协调实现进程（线程）之间的信息交换实现进程（线程）之间的信息交换按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）进程控制进程控制进程同步进程同步进程通信进程通信进程调度进程调度( (处理机调度处理机调度) )522.2.

44、存储器管理存储器管理 存储器管理应具有以下功能：存储器管理应具有以下功能： n 内存分配内存分配 (静态静态 、动态分配方式动态分配方式 )n 内存保护内存保护 (硬件检查越界，软件处理硬件检查越界，软件处理)n 地址映射地址映射 (逻辑、物理地址，硬件支持逻辑、物理地址，硬件支持)n 内存扩充内存扩充 (虚拟存储技术虚拟存储技术)53 主要任务：主要任务： l l 完成进程提出的完成进程提出的I/O请求；请求；l l为用户进程分配其所需的为用户进程分配其所需的I/O设备；设备；l l 提高提高CPU和和I/O设备的利用率；设备的利用率；l l 提高提高I/O速度；速度；l l方便用户使用方便

45、用户使用I/O设备。设备。3.设备管理功能设备管理功能54设备管理应具有以下功能：设备管理应具有以下功能： 1. 缓冲管理缓冲管理在设备和在设备和CPU之间引入缓冲，之间引入缓冲，可有效地缓和可有效地缓和CPU和和I/O设备速度不匹配的矛设备速度不匹配的矛盾，提高盾，提高CPU的利用率，进而提高系统的吞的利用率，进而提高系统的吞吐量。吐量。 2. 设备分配设备分配按某种策略将设备分配给用户按某种策略将设备分配给用户进程。需设备控制表等数据结构。进程。需设备控制表等数据结构。3. 设备处理设备处理设备处理程序又称为设备驱动设备处理程序又称为设备驱动程序。基本任务是实现程序。基本任务是实现CPU与

46、设备控制器通与设备控制器通信：信：CPU 发发I/O命令；命令；设备控制器发中断请求。设备控制器发中断请求。55主要任务主要任务： 对用户文件和系统文件进行管理，以方便用对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。户使用，并保证文件的安全性。 文件管理应具有以下功能：文件管理应具有以下功能： 1文件存储空间的管理文件存储空间的管理 2目录管理目录管理 3文件的读文件的读/写管理和保护写管理和保护 4. 文件管理文件管理56n 命令接口命令接口( (联机命令、脱机命令联机命令、脱机命令) ) n 程序接口程序接口( (系统调用系统调用) ) n 图形接口图形接口( (GUI

47、) ) 5. 5. 用户接口用户接口571.5 1.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计 OS的结构经历了四代变革：的结构经历了四代变革： 第一代的第一代的OS是无结构的是无结构的 第二代第二代OS采用了模块式结构采用了模块式结构 第三代第三代OS是层次式结构是层次式结构 传统的操作传统的操作系统结构系统结构 第四代第四代OS采用微内核结构采用微内核结构 20世纪世纪80年代后期年代后期58微内核微内核OS结构结构现代现代OS结构结构 微内核结构能有效地支持多处理机运行，故非微内核结构能有效地支持多处理机运行，故非常使用于分布式系统环境。常使用于分布式系统环境。Windows NT采用微内

48、核结构。采用微内核结构。 在与微内核技术发展的同时，在与微内核技术发展的同时，客户客户/服务器技术服务器技术、面向对象技术面向对象技术也在迅速发展，把它们应用到基于也在迅速发展，把它们应用到基于微内核结构的微内核结构的OS中，便具有了以微内核为中，便具有了以微内核为OS核核心，以客户心，以客户/服务器为基础，并且采用了面向对服务器为基础，并且采用了面向对象的程序设计方法的特征。象的程序设计方法的特征。 59n微内核技术微内核技术 微内核技术微内核技术是指精心设计的、能实现现代是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核。核心功能的小型内核。 OS的变庞大，使对的变庞大，使对OS的开发、维护

49、和移植的开发、维护和移植变得十分困难。变得十分困难。为了减少为了减少OS的复杂性，增加的复杂性，增加OS的可扩展性的可扩展性和可维护性而产生了微内核技术。和可维护性而产生了微内核技术。 产生背景产生背景601. 微内核操作系统的基本概念微内核操作系统的基本概念1）足够小的内核）足够小的内核微内核是指精心设计的、能实现现代微内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本的最基本的核心功能的部分。核心功能的部分。 2）基于客户基于客户/ /服务器模式服务器模式把把OSOS的最基本部分放在内核中，把的最基本部分放在内核中，把OSOS的绝大部分的绝大部分功能放在内核外面的一组服务器功能放在内核外面的一组服务

50、器( (进程进程) )中实现。中实现。61作业管理作业管理文件管理文件管理设备管理设备管理内存管理内存管理进程管理进程管理硬件硬件内核模式内核模式(a)(a)分层结构内核分层结构内核(b) (b) 微内核微内核设备驱动程序设备驱动程序客户进程客户进程文件服务器文件服务器虚存管理器虚存管理器安全服务安全服务微内核微内核硬件硬件用户模式用户模式图图1-4 分层结构内核和微内核结构分层结构内核和微内核结构623）应用）应用“机制与策略分离机制与策略分离”原理原理n 所谓所谓机制机制，是指实现某一功能的具体执行机构。，是指实现某一功能的具体执行机构。n 策略策略是在机制基础上，借助于某些参数和算法来是

51、在机制基础上，借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。n 机制处于系统的低层，而策略处于系统的高层。机制处于系统的低层，而策略处于系统的高层。n 传统传统OS将机制放在内核低层，策略放在内核高将机制放在内核低层，策略放在内核高层。层。n 微内核微内核OS将机制放在微内核中，策略放在微内将机制放在微内核中，策略放在微内核外。核外。4）采用面向对象技术）采用面向对象技术632. 微内核的基本功能微内核的基本功能1 1）进程（线程）管理）进程（线程）管理进程队列属于调度功能的机制部分，放在微内核进程队列属于调度功能的机制部分，放在微内核中

52、；确定、修改优先级，属于策略问题，放在进中；确定、修改优先级，属于策略问题，放在进程管理服务器中。程管理服务器中。进程进程( (线程线程) )通信、进程切换、线程调度、多处理通信、进程切换、线程调度、多处理机之间的同步等功能也放在微内核中。机之间的同步等功能也放在微内核中。2 2）低级存储管理）低级存储管理页表机制和地址变换机制在微内核中；实现虚存页表机制和地址变换机制在微内核中；实现虚存的策略，包括页面置换算法、内存分配回收策略的策略，包括页面置换算法、内存分配回收策略等放在存储器服务器中。等放在存储器服务器中。643 3）中断和陷入处理）中断和陷入处理大多数微内核操作系统都将与硬件紧密相关

53、的一大多数微内核操作系统都将与硬件紧密相关的一小部分放入小部分放入微微内核中处理。此时，微内核的主要内核中处理。此时，微内核的主要功能，是捕获所发生的中断和陷入事件，并进行功能，是捕获所发生的中断和陷入事件，并进行相应的相应的前期处理前期处理。如进行中断现场保护，识别中。如进行中断现场保护，识别中断或陷入类型，然后将有关事件的信息转换成消断或陷入类型，然后将有关事件的信息转换成消息后，发送给相应的服务器作中断后期处理。息后，发送给相应的服务器作中断后期处理。653. 微内核的优点微内核的优点1 1）提高了系统的可扩展性）提高了系统的可扩展性2 2）增强了系统的可靠性）增强了系统的可靠性3 3）

54、可移植性）可移植性4 4）提供了对分布式系统的支持）提供了对分布式系统的支持5 5）融入了面向对象技术）融入了面向对象技术664. 微内核操作系统存在的问题微内核操作系统存在的问题微内核微内核OS的运行效率有所降低。的运行效率有所降低。原因是：在完成一次客户对原因是：在完成一次客户对OS提出的服务请求提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内内核模式及上下文的多次切换。核模式及上下文的多次切换。解决的办法：解决的办法：重新将一些常用的操作系统基本功能，有服务器重新将一些常用的操作系统基本功能，有服务器移入微内核中。移入微内核中。67第第1 1

55、章复习题章复习题1计算机操作系统的功能是计算机操作系统的功能是 。A. 把源程序代码转换为目标代码把源程序代码转换为目标代码B. 实现计算机用户之间的相互交流实现计算机用户之间的相互交流C. 完成计算机硬件与软件之间的转换完成计算机硬件与软件之间的转换D. 控制、管理计算机系统的资源和程序的执行控制、管理计算机系统的资源和程序的执行2_不是分时系统的特点。不是分时系统的特点。A多个用户是经过网络连接，同时使用计算机系统多个用户是经过网络连接，同时使用计算机系统B各用户可同时请求系统服务各用户可同时请求系统服务C各用户的请求彼此独立，互不干扰各用户的请求彼此独立，互不干扰D用户以会话方式控制自己

56、的程序运行用户以会话方式控制自己的程序运行DA683分时操作系统的主要目的是分时操作系统的主要目的是 。A计算机系统的交互性计算机系统的交互性B计算机系统的实时性计算机系统的实时性C计算机系统的可靠性计算机系统的可靠性D提高软件的运行速度提高软件的运行速度 4以下描述与操作系统无关的是以下描述与操作系统无关的是 。A. 方便用户的程序集合方便用户的程序集合B. 控制和管理计算机系统的硬件和软件资源控制和管理计算机系统的硬件和软件资源C. 计算机系统的硬件和软件资源的集合计算机系统的硬件和软件资源的集合D. 合理地组织计算机工作流程合理地组织计算机工作流程AC695分时操作系统的特点是分时操作系

57、统的特点是 。A. 交互性、同时性、独立性、及时性交互性、同时性、独立性、及时性B. 可靠性、交互性、独立性、及时性可靠性、交互性、独立性、及时性C. 可靠性、实时性、独立性、及时性可靠性、实时性、独立性、及时性D. 交互性、同时性、独立性、实时性交互性、同时性、独立性、实时性6下列各项中，下列各项中， 不是现代操作系统的主要特征。不是现代操作系统的主要特征。A. 并发性并发性B. 共享性共享性C. 确定性确定性D. 虚拟性虚拟性7在下列操作系统中，对响应时间要求最高的在下列操作系统中，对响应时间要求最高的是是 。 A批处理系统批处理系统B. 分时系统分时系统 C. 实时系统实时系统D. 网络

58、操作系统网络操作系统ACC708对出现的中断事件是由对出现的中断事件是由 进行处理的。进行处理的。 A. 硬件硬件B. 操作系统操作系统 C. 用户程序用户程序D. 解释程序解释程序9. 多道批处理系统的主要缺点是多道批处理系统的主要缺点是 。A. CPU利用率低利用率低B. 不能并发执行不能并发执行C. 缺少交互性缺少交互性D. 以上都不是以上都不是10操作系统是对操作系统是对 进行管理的软件。进行管理的软件。A系统软件系统软件 B系统硬件系统硬件 C计算机资源计算机资源 D计算机程序计算机程序CCC7111设计实时操作系统时，首先要考虑系统的设计实时操作系统时，首先要考虑系统的 。A实时性

59、和可靠性实时性和可靠性B实时性和灵活性实时性和灵活性 C灵活性和可靠性灵活性和可靠性D灵活性和可移植性灵活性和可移植性12. UNIX操作系统是一种多用户的、人机交互的操作系统是一种多用户的、人机交互的 。A. 多道批处理系统多道批处理系统B. 实时系统实时系统C. 分时系统分时系统D. 分布式系统分布式系统13操作系统在计算机系统中处于操作系统在计算机系统中处于 之间的位置。之间的位置。A计算机硬件和软件计算机硬件和软件B计算机硬件和用户计算机硬件和用户C处理机和用户处理机和用户D外部设备和处理机外部设备和处理机ACB7214操作系统提供给用户程序的接口是操作系统提供给用户程序的接口是 。A

60、命令解释程序命令解释程序B系统调用系统调用CP、V操作操作D对话框对话框15分时系统响应时间与分时系统响应时间与 有关。有关。A每个应用进程分配的时间片长度每个应用进程分配的时间片长度B进程大小进程大小C就绪进程数目就绪进程数目D就绪进程数目和时间片长度就绪进程数目和时间片长度16在操作系统中，在操作系统中， 部分属于微内核。部分属于微内核。A作业调度软件作业调度软件B用户命令解释程序用户命令解释程序C磁盘文件目录管理软件磁盘文件目录管理软件D进程通信服务例程进程通信服务例程返回总目录返回总目录BDD73第第2章章 进程管理进程管理 2.12.1 进程的基本概念进程的基本概念2.22.2 进程控制进程