第1章Linux操作系统概述(修1)

1、Linux操作系统基础、原理与应用教师：蒋园园教师：蒋园园本课程基本情况及要求专业核心必修课，专业核心必修课，2.52.5学分学分总学时总学时4040学时，其中理论学时，其中理论3030学时，实践学时，实践1010学时学时考核方式：考试考核方式：考试考试成绩考试成绩= =30%30%平时成绩平时成绩+ +70%70%考试成绩考试成绩课程设计课程设计2 2周周，4040学时学时点名点名3 3次次不到，平时成绩为不到，平时成绩为0 0分分第一章 Linux操作系统概述v认识操作系统v操作系统的发展vLinux操作系统概述什么是操作系统？什么是操作系统？认识操作系统认识操作系统 打开计算机，首先跳入

2、眼帘的是什么？ 要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？你需要知道文件存放在何处吗？柱面、磁道、扇区描述什么？数据的搬动过程怎样进行 繁琐留给自己，简单留给用户 操作系统穿上华丽的外衣图形界面操作系统穿上朴素的外衣字符界面认识操作系统认识操作系统从使用者的角度看从使用者的角度看 拷贝命令的C语言实现片断inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600)

3、; do dol=read(inf,buf,4096);l=read(inf,buf,4096);write(outf,buf,l);write(outf,buf,l); while(l); while(l);close(outf);close(outf);close(inf);close(inf);认识操作系统从程序开发者的角度看认识操作系统从程序开发者的角度看 认识操作系统认识操作系统从所处位置看从所处位置看浏览器 信息管理 文件管理系统 游戏 编译程序 编辑程序 命令 解释程序 操作系统 CPU、内存、I/O接口硬件内核 应用软件 操作系统是其它所有用户程序运行的基础。 #include

4、main()printf(“ Hello worldn”)用户告诉操作系统执行用户告诉操作系统执行testtest程序程序 操作系统通过文件名找到该程序操作系统通过文件名找到该程序 检查其类型检查其类型, ,检查程序首部，找出代检查程序首部，找出代码和数据存放的地址码和数据存放的地址文件系统找到第一个磁盘块文件系统找到第一个磁盘块 操作系统建立程序的执行环境操作系统建立程序的执行环境 操作系统把程序从磁盘装入内存，并操作系统把程序从磁盘装入内存，并跳到程序开始处执行跳到程序开始处执行 该程序的执行过程简述如下该程序的执行过程简述如下:操作系统检查字符串的位置是否正确操作系统检查字符串的位置是否

5、正确 操作系统找到字符串被送往的设备操作系统找到字符串被送往的设备 操作系统将字符串送往输出设备窗口操作系统将字符串送往输出设备窗口系统确定这是一个合法的操作，然后系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素将字符串转换成像素窗口系统将像素写入存储映像区窗口系统将像素写入存储映像区 视频硬件将像素表示转换成一组模拟视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器（重画屏幕）信号控制显示器（重画屏幕） 显示器发射电子束。你在屏幕上看到显示器发射电子束。你在屏幕上看到Hello worldHello world。 从中看从中看到什么到什么认识操作系统认识操作系统从程序执行看从程序执行看 从操作

6、系统设计者的角度看 操作系统的设计目标是什么？ 尽可能地方便用户使用计算机 让各种软件资源和硬件资源高效而协调地运转起来。 计算机的硬件资源和软件资源各指什么？ 假设在一台计算机上有三道程序同时运行，并试图在一台打印机上输出运算结果，必须考虑哪些问题 ? 从操作系统设计者的角度考虑，一个操作系统必须包含以下几部分 操作系统接口 CPU管理 内存管理 设备管理 文件管理认识操作系统认识操作系统从设计者角度看从设计者角度看 操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服

7、务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效、顺畅地运行。认识操作系统认识操作系统定义定义应用软件 操作系统硬件更形象的来认识操作系统更形象的来认识操作系统各种知觉大脑及神经网络身体 操作系统的发展史操作系统的发展史世界6大主流操作系统回顾 操作系统的演变单道批处理系统 串行执行预先组织好的一组任务 提高了系统效率 。 多道批处理系统 可以交错运行多个程序 再次提高系统效率。分时系统 将处理器的运行时间分成数片，均分或依照一定权重派发给系统中的用户使用 快速响应 操作系统的发展操作系统的发展 硬件角度下的操作系发展轨迹 硬件角度下的操作系统发展轨迹硬件角度下的操作系

8、统发展轨迹 分析 在硬件的性价比较低的时候，操作系统设计追求什么？ 在硬件性价比越来越高后，操作系统的设计开始追求的目标是什么？ 计算机开始普及后，操作系统的设计开始追求什么？ 从第三代到第四代计算机，操作系统的发展逐渐摆脱追随硬件发展的状况 ，形成自己的理论体系 进入第四代系统后，分布式系统和多处理器系统虽然极大的扩充了操作系统理论，但系统结构并没有变化，只是各功能模块得以进一步完善。 硬件角度下操作系统发展的分析硬件角度下操作系统发展的分析软件角度下的操作系统发展轨迹软件角度下的操作系统发展轨迹 分析 程序设计理论约束着操作系统设计。操作系统的发展滞后于计算机语言的发展，从结构化设计到对象

9、化设计，操作系统总是最后应用新编程理论的软件之一。 至今操作系统对于是否需要彻底对象化（即微内核化），还处于徘徊时期，仍在探索单内核与微内核的最佳结合方式。 人机交互技术主要是为用户考虑，这是对操作系统设计进行的变革。 以Linux为代表的开源软件的出现，打破了带有神秘色彩的传统的封闭式开发模式。 软件角度下的操作系统发展轨迹分析软件角度下的操作系统发展轨迹分析 讲究效率的单模块操作系统讲究效率的单模块操作系统进程管理进程管理内存管理内存管理设备管理设备管理文件管理文件管理模块之间可以互相调用的单模块结构模块之间可以互相调用的单模块结构讲究效率的单模块操作系统讲究效率的单模块操作系统v模块之间

10、直接调用函数，除了函数调用的开销模块之间直接调用函数，除了函数调用的开销外，没有额外开销。外，没有额外开销。v庞大的操作系统有数以千计的函数v复杂的调用关系势必导致操作系统维护的困难追求简洁的微内核操作系统追求简洁的微内核操作系统客户进程客户进程进程服务器进程服务器内存服务器内存服务器文件服务器文件服务器微内核微内核追求简洁的微内核操作系统追求简洁的微内核操作系统v内核与各个服务器之间通过通信机制进行交互内核与各个服务器之间通过通信机制进行交互，这使得微内核结构的效率大大折扣。，这使得微内核结构的效率大大折扣。v内核发出请求，服务器做出应答v为各个服务器模块的相对独立性，使得其维护相对容易操作

11、系统功能操作系统功能多用户分时系统多用户分时系统( (第第4 4代计算机）代计算机），按照其功能划分为，按照其功能划分为处理处理机管理、存储管理、设备管理、信息管理机管理、存储管理、设备管理、信息管理（文件系统管（文件系统管理），对于现代流行的操作系统，还具有完整的理），对于现代流行的操作系统，还具有完整的网络管理网络管理功能。这些管理功能都是由操作系统功能。这些管理功能都是由操作系统内核内核实现的。实现的。1 1 处理机管理处理机管理作业、进程作业、进程需要适当的分配、调度，以便需要适当的分配、调度，以便协调协调相互关系，相互关系，共享有限的处理机资源，这是处理机管理的主要内容。共享有限的处

12、理机资源，这是处理机管理的主要内容。处理机管理是操作系统管理功能的处理机管理是操作系统管理功能的关键关键，操作系统功能的，操作系统功能的一个主要指标即是提高处理机的一个主要指标即是提高处理机的使用率使用率，让处理机尽可能，让处理机尽可能处于工作状态。处于工作状态。2 2 存储管理存储管理存储管理的目标是让有限的物理内存尽可能满足应用程序存储管理的目标是让有限的物理内存尽可能满足应用程序对内存的需求。存储管理的内容包括内存的扩充、分配、对内存的需求。存储管理的内容包括内存的扩充、分配、保护等。保护等。操作系统多采用了称为操作系统多采用了称为“虚拟内存虚拟内存”的内存管理方式。的内存管理方式。内存

13、一般采用部分分配的办法。内存一般采用部分分配的办法。通常，内存中总是同时存放了通常，内存中总是同时存放了多个正在运行的程序实体多个正在运行的程序实体，即进程，在运行的过程中，他们之间可能会使用到相同内即进程，在运行的过程中，他们之间可能会使用到相同内存位置的内容，这种技术称为存位置的内容，这种技术称为内存共享内存共享，这样，可以提高，这样，可以提高内存的利用率。但是，必须要确保各进程所占据的内存的内存的利用率。但是，必须要确保各进程所占据的内存的独立和完整性。独立和完整性。3 3 设备管理设备管理除了除了CPUCPU和内存之外，计算机的其他部件都统称为和内存之外，计算机的其他部件都统称为外部设

14、备外部设备。这些设备在操作系统的控制下协调工作，共同完成信息的这些设备在操作系统的控制下协调工作，共同完成信息的输入、存储和输出任务。输入、存储和输出任务。操作系统要对所有的设备进行管理。一方面，让每一个设操作系统要对所有的设备进行管理。一方面，让每一个设备尽可能发挥自己的备尽可能发挥自己的特长特长，实现与，实现与CPUCPU和内存的数据交换，和内存的数据交换，提高外部设备的利用率。另一方面，隐蔽设备操作的具体提高外部设备的利用率。另一方面，隐蔽设备操作的具体细节细节，对用户提供一个统一、友好的设备使用界面。，对用户提供一个统一、友好的设备使用界面。和处理机及内存相比，外部设备的速度要和处理机

15、及内存相比，外部设备的速度要慢慢得多，而且性得多，而且性能差别大，类型品种多，因此，设备管理是一项复杂而又能差别大，类型品种多，因此，设备管理是一项复杂而又重要的工作。重要的工作。4 4 文件系统文件系统操作系统在控制、管理硬件的同时，也必须管理好软件资操作系统在控制、管理硬件的同时，也必须管理好软件资源。操作系统的文件系统就是针对计算机的软件资源而进源。操作系统的文件系统就是针对计算机的软件资源而进行的。文件系统主要提供以下服务：行的。文件系统主要提供以下服务：文件存取文件存取, , 使每个用户能够对自己的文件进行快速的访问、使每个用户能够对自己的文件进行快速的访问、修改和存储。修改和存储。

16、文件共享文件共享, , 指提供某种手段，使存储空间只保存一个副本指提供某种手段，使存储空间只保存一个副本, , 而所有授权用户能够共同访问这些文件。而所有授权用户能够共同访问这些文件。文件保护文件保护, , 指提供保护系统资源防止非法使用的手段。指提供保护系统资源防止非法使用的手段。5 5 网络管理网络管理计算机的发展已经进入了互联网时代，现在流行的操作系计算机的发展已经进入了互联网时代，现在流行的操作系统一般都具有内嵌的统一般都具有内嵌的网络功能网络功能，能够在内核级别控制、管，能够在内核级别控制、管理网络。理网络。操作系统一般都提供网络通信和网络服务等基本功能。内操作系统一般都提供网络通信

17、和网络服务等基本功能。内核中网络部分，主要实现核中网络部分，主要实现网络设备控制和网络协议网络设备控制和网络协议，因此，因此，网络管理也就集中在网络管理也就集中在通信通信这部分。这部分。WindowsWindows和和LinuxLinux美国美国、华盛顿州华盛顿州、西雅西雅图市图市、1955195519731973年，盖茨考进了哈年，盖茨考进了哈佛大学佛大学19761976年年1111月月2626日，盖茨日，盖茨和艾伦注册了和艾伦注册了“微软微软”（MicrosoftMicrosoft）商标。）商标。19771977年年1 1月，盖茨从哈月，盖茨从哈佛大学辍学佛大学辍学Bill的介绍Windo

18、wsWindows的发展史的发展史自由而奔放的黑马自由而奔放的黑马Linux诞生于学生之手诞生于学生之手成长于成长于Internet Internet 壮大于自由而开壮大于自由而开放的文化放的文化芬兰、赫尔辛基大学、芬兰、赫尔辛基大学、19901990起始于写两个进程起始于写两个进程 然后写驱动程序、文件然后写驱动程序、文件系统、任务切换程序，系统、任务切换程序，从而形成一个操作系统从而形成一个操作系统邹形邹形Linus的介绍Linux之父-UNIXLinux操作系统概述 LinuxLinux的发展历史的发展历史 LinuxLinux的内核版本与发行版本的内核版本与发行版本 vPOSIX PO

19、SIX 表示可移植操作系统接口（表示可移植操作系统接口（Portable Operating System InterfacePortable Operating System Interface） vPOSIXPOSIX是在是在UnixUnix标准化过程中出现的产物。标准化过程中出现的产物。 vPOSIX 1003.1POSIX 1003.1标准定义了一个最小的标准定义了一个最小的UnixUnix操作系统接口操作系统接口 v任何操作系统只有符合这一标准，才有可任何操作系统只有符合这一标准，才有可能运行能运行UnixUnix程序程序 vGNU GNU 是是 GNU Is Not Unix GN

20、U Is Not Unix 的递归缩写，是自的递归缩写，是自由软件基金会的一个由软件基金会的一个项目项目 。 v GNU GNU 项目产品包括项目产品包括 emacs emacs 编辑器、著名的编辑器、著名的 GNU C GNU C 和和 GccGcc编译器等，这些软件叫做编译器等，这些软件叫做GNUGNU软软件。件。vGNU GNU 软件和派生工作均适用软件和派生工作均适用 GNU GNU 通用公共许通用公共许可证，即可证，即 GPLGPL（General Public License ） vLinuxLinux的开发使用了众多的的开发使用了众多的GUNGUN工具工具vGPL GPL 允许软

21、件作者拥有软件版权允许软件作者拥有软件版权 v但但GPLGPL规定授予其他任何人以合法复制、规定授予其他任何人以合法复制、发行和修改软件的权利。发行和修改软件的权利。v符合符合 POSIX POSIX 标准的操作系统内核、标准的操作系统内核、 Shell Shell 和外围工具。和外围工具。 v C C 语言编译器和其他开发工具及函数库语言编译器和其他开发工具及函数库 vX Window X Window 窗口系统窗口系统 v各种应用软件，包括字处理软件、图象处理各种应用软件，包括字处理软件、图象处理软件等。软件等。 v世界各地软件爱好者集体智慧的结晶世界各地软件爱好者集体智慧的结晶 v提供源

22、代码，遵守提供源代码，遵守GPLGPL。 v经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定性好。性好。 v开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造性。性。 vLinusLinus领导下的开发小组开发出的系统内核领导下的开发小组开发出的系统内核 v是所有是所有Linux Linux 发布版本的核心发布版本的核心 v内核开发人员一般在百人以上，任何自由程内核开发人员一般在百人以上，任何自由程序员都可以提交自己的修改工作。序员都可以提交自己的修改工作。 v采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误报告

23、报告v有大量的用户进行测试，正式发布的代码质有大量的用户进行测试，正式发布的代码质量高量高 硬件硬件系统调用接口应用应用程序进程程序进程1应用应用程序进程程序进程2应用应用程序进程程序进程3Linux内核内核用户进程用户进程 内核子系统内核子系统系统调用系统调用v用户进程用户进程运行在运行在LinuxLinux内核之上的一个庞大软件内核之上的一个庞大软件集合。集合。v系统调用系统调用内核的出口，用户程序通过它使用内核内核的出口，用户程序通过它使用内核提供的功能。提供的功能。 vLinuxLinux内核内核操作系统的操作系统的灵魂灵魂，负责管理磁盘上的，负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行

24、程序，负责从网络上文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等等。接收和发送数据包等等。 v硬件硬件包括了包括了LinuxLinux安装时需要的所有可能的物理安装时需要的所有可能的物理设备。例如，设备。例如，CPUCPU、 内存、硬盘、网络硬件等等。内存、硬盘、网络硬件等等。 Linux 内核版本Linux内核官网：内核版本说明2.6.18（较稳定）目前最新的内核版本3.11.10Linux的发行版本 LinuxLinux免费的内核，以及允许用户或厂商自行搭配其他免费的内核，以及允许用户或厂商自行搭配其他应用程序的特性，目前世界上已经有超过应用程序

25、的特性，目前世界上已经有超过百种不同百种不同的组的组合，这些不同的厂商把合，这些不同的厂商把发布的内核与应用程序包组合发布的内核与应用程序包组合就就成了不同发行套件版本的成了不同发行套件版本的LinuxLinux系统系统，相对于内核版本，相对于内核版本，发行套件版本号随着发布者的不同而不同，与系统内核发行套件版本号随着发布者的不同而不同，与系统内核的版本号是相对独立的。的版本号是相对独立的。 国内外常见的Linux发行版本 红旗红旗LinuxLinuxopenSUSE Linux openSUSE Linux 国内外常见的Linux发行版本Ubuntu Linux Ubuntu Linux Red Ha