UNIX操作系统-绪论

1、UNIX操作系统绪论湖北工业大学 计算机学院网络工程系讲授者：李超几个问题操作系统相关问题操作系统为用户做什么事情？什么是操作系统？为什么要学习操作系统？操作系统做什么操作系统读程序（正文和数据地址）-创建子进程执行（程序映射为进程）-分配内存、从磁盘读页面-系统调用、寻找字串、转换成像素-写入存储映像区-模拟信号-显示器发射电子束输出操作系统提供一系列服务：多任务，内存保护，内存管理，网络，文件存取，设备控制，用户界面错误检测及恢复系统，硬件控制，安全 #include int main(int argc, char *argv) puts(hello world); return 0; 用

2、户告诉操作系统执行hello程序 操作系统找到该程序，检查其类型 检查程序首部，找出正文和数据的地址 文件系统找到第一个磁盘块 父进程需要创建一个新的子进程，执行hello程序 操作系统需要将执行文件映射到进程结构 操作系统设置CPU上下文环境，并跳到程序开始处 程序的第一条指令执行，失败，缺页中断发生 操作系统分配一页内存，并将代码从磁盘读入，继续执行 更多的缺页中断，读入更多的页面操作系统做什么 操作系统检查字符串的位置是否正确 操作系统找到字符串被送往的设备 设备是一个伪终端，由一个进程控制 操作系统将字符串送给该进程 该进程告诉窗口系统它要显示字符串 窗口系统确定这是一个合法的操作，然

3、后将字符串转换成像素 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hello world 程序执行系统调用，在文件描述符中写一字符串操作系统做什么仲裁者（协调者）使多个应用程序/用户高效，公平地一起工作保护用户不互相干扰管理程序硬件平台扩展为运行平台运行平台是承载应用程序的载体幻觉制造者提供硬件的高层界面，取消硬件限制操作系统提供无限的内存、无限的CPU管理者有效合理地分配资源，保护用户不受侵犯提供安全、保密措施标准服务提供者提供每个用户需要的标准工具如标准库、窗口系统为什么要学习UNIX/linux操作系统？Req

4、uirements:计算机科学或相关专业领域的本科及以上学历；在计算机技术领域拥有扎实的技术功底，尤其在数据结构、算法和代码、软件设计方面功力深厚；具有丰富的使用C/C+或Java编程经验，两者皆熟练尤佳，在面向对象技术方面有较强经验者优先；在大规模系统软件的设计和开发方面有2年以上经验，对Unix/Linux有深入了解；如果有使用Python或Javascript/AJAX编程、数据库设计和SQL、TCP/IP以及网络编程等方面的经验，会进一步加深我们对您的兴趣;英语熟练（尤其在读写方面为什么要学习UNIX/linux操作系统？职位要求：计算机相关专业，本科及以上学历熟悉Linux/Unix

5、平台上的C/C+ 或PHP编程，熟悉脚本编程熟悉常用算法和数据结构，熟悉网络编程、多线程编程技术，对业界的云服务有一定了解有分布式相关项目经验，如分布式存储、分布式计算、高性能并行计算、分布式cache熟悉分布式系统概念、架构；熟悉操作系统、文件系统的原理和实现熟悉数据库的架构、扩展特点，能够熟练进行SQL优化、集群部署、数据同步等工作有非常丰富的在Linux/Unix下工作的经验开源社区的活跃贡献者在计算机设备比较昂贵时，采取服务器/客户机模式，多个客户能共享系统资源，直到今天，各大网络运营商的后台服务器仍然大量使用unix或类unix操作系统开放源代码让LINUX成为免费的“万能软件”，可

6、以根据用户不同的需要，对内核进行调整，使其适应各个特殊环境下的使用要求。LINUX发展到今天，早已不再是程序发烧友手中的玩具，从服务器到嵌入式的PDA，以及个人桌面操作系统和与蓝牙技术相关联的无线设备， LINUX的风暴正全面地冲击整个IT行业。由于Linux源代码免费以及其依靠服务获取利润的特性，吸引着越来越多的厂商甚至用户加入到产品的开发和维护中，这无形中降低了基于Linux解决方案的生产成本。使用Linux在成本上还有一个潜在优势，就是Linux对于内存空间、硬盘容量的要求并不太高，这使在硬件升级上的压力和浪费大幅度减少。高稳定性是Linux另一优势。Linux开放源代码的开发模式，保证

7、了系统的漏洞能被遍及全球的开发人员及时地发现和改正。为什么要学习UNIX/linux操作系统？基本目的介绍操作系统的基本概念、基本结构及运行环境介绍操作系统原理、设计方法和实现技术介绍操作系统的演化过程、发展研究动向、新技术以及新思想介绍各种有代表性的、典型的操作系统实例掌握操作系统的基本理论，具备开发核心系统软件的技能，设计操作系统或者修改现有的系统掌握系统编程处理的思想方法，加深对使用的OS的理解，有利于深入理解编程本课程的特点和核心内容涉及面广错综复杂原理与应用紧密结合实践性强操作系统是目前最复杂的软件涉及到计算机科学的很多领域计算机体系结构/硬件程序设计语言数据结构算法本课程的特点和核

8、心内容操作系统错综复杂，前后联系紧密操作系统给用户提供的三种抽象 抽象出无限的CPUs(进程) 抽象出无限的内存 （虚拟存储器机制） 一切设备皆文件(虚拟文件系统)进程作为资源分配的单位，需要与系统中各种资源打交道 2007-3-314本课程的特点和核心内容需要掌握基本原理UNIX操作系统的内部结构进程控制数据结构（进程控制块PCB等）虚拟存储管理机制(进程存储空间，虚拟存储区域VMA)文件系统数据结构（文件管理机构，虚拟文件系统等）UNIX操作系统的实现机制进程控制的系统调用文件系统的系统调用2007-3-315本课程的特点和核心内容UNIX操作系统下的编程环境常用的Unix操作内部命令与进

9、程相关的命令 (ps, sleep,)与文本处理相关的命令与文件操作相关的命令(cd, pwd, rm,mkdir,chown,)脚本语言，shell编程Linux环境下的系统编程系统调用函数的实现机制进程调用、文件调用函数(open,read,write)C程序在Unix环境下的编译、链接和执行，包括几种比较常见的可执行文件的结构，Unix操作系统如何通过创建进程装载一个可执行文件结合Unix中的存储机制，通过反汇编工具查看一个可执行文件的内部构成 教材：unix操作系统教程(第三版) 张红光 机械工业出版社 参考资料：UNIX操作系统设计 Maurice J.Bach 机械工业出版社深入理

10、解计算机系统 Randal E.Bryant 机械工业出版社Unix环境高级编程 W.Richard Stevens 人民邮电出版社深入理解Linux内核 Daniel P.BOVET 中国电力出版社Linux内核源代码情景分析 毛德操，胡希明著 浙江大学出版社开源代码下载:http:/开源社区:http:/http:/2007-3-317学分和学时必修课学分：2.5学分学时：理论 8周*4学时=32学时 实验 16学时平时成绩（考勤+作业）：30%考试成绩：70%导言（一） 操作系统在计算机系统中的地位（二） 操作系统的形成和发展（三） 操作系统的定义（四） 操作系统的功能（五） 操作系统的

11、基本类型计算机系统的组成计算机系统（层次结构）软件硬件及固件（裸机）应用软件系统软件编辑软件、编译软件操作系统计算机系统的基础提高系统效率方便用户使用裸机（硬件）是僵尸软件是幽灵管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包管理信息系统、飞机订票系统、银行系统、地理信息系统、CAD系统、数字计算软件包语言编译程序、连接装配程序、数据库管理系统、网络软件操 作 系 统（一）操作系统在计算机系统中的地位计算机硬件系统软件应用软件支撑软件用户用户用户用户与硬件的关系： 控制CPU的工作、 访问存储器、 设备驱动、中断处理与用户及应用程序的关系： 提供方便的用户界面、

12、提供优质的服务2007-3-321计算机系统层次图插图应用程序用户接口AUI应用程序程序员接口API（二）操作系统的形成和发展操作系统发展是随着计算机硬件技术的发展而发展的。目标：充分利用硬件，提供更好的服务手工操作阶段批处理联机批处理脱机批处理执行系统操作系统形成多道程序系统多道批处理系统分时系统实时系统个人计算机操作系统网络操作系统分布式操作系统第 1 阶段 手工操作阶段 硬件非常昂贵，没有操作系统算题过程人工把源程序用穿孔机穿制在卡片或纸带上将准备好的汇编解释程序或编译系统装入计算机汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡或穿孔带执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输出目标卡片

13、迭或纸带通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡或数据带产生计算结果，执行结果从打印机上或卡片机上输出第2阶段 单道批处理阶段 硬件昂贵，人力便宜，单任务自动批处理简单批处理：装入程序、运行、打印结果、撤出、再重复 用户把不需人为干预的作业（卡片或磁带）交给负责调度的操作员（系统管理员），由操作员按作业类型分类编成一个作业序列，送到输入设备上。 常驻监督程序自动地装入程序、运行、撤出作业（1）联机批处理（2）脱机批处理（3）执行系统第 3 阶段多道程序设计技术多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，在管理程序的控制下相互

14、穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时（如等待外部设备传输数据），管理程序便将另一道程序投入运行。多道运行的特征: 宏观上并行 微观上串行 效果提高效率：增长了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间提高资源利用率和系统吞吐率：以牺牲用户的响应时间为代价系统资源的利用率工作时间占总时间的比率吞吐量单位时间接受任务的数量多道批处理系统在批处理系统中采用多道程序设计技术，就形成了批量操作系统。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。优点：缩短作业之间的交接时间，减少处理机的空闲等待时间，提高系统的吞吐量缺点：用户响应时间较长。用户既

15、不能了解自己程序的运行情况，也不能控制计算机。 第 4 阶段 操作系统的进一步发展硬件非常便宜、人力昂贵嵌入式操作系统实时操作系统并行操作系统分布式操作系统2007-3-328交互性和分时系统交互式操作系统允许用户和正在运行的程序进行交互UNIX、Linux、DOS、Windows提供交互式界面UNIX、Linux可在后台以批处理方式运行分时系统支持多用户、多进程的交互式系统CPU快速切换，每个用户都感觉在独占CPUUNIX、Linux、WindowsNT分时技术与分时处理分时技术：把处理机的响应时间分成若干个大小相等（或不相等）的时间单位，称为时间片，每个终端用户获得CPU，就等于获得一个时

16、间片，该用户程序开始运行，当时间片到（用完），用户程序暂停运行，等待下一次运行。分时计算机系统：由于中断技术的使用，使得一台计算机能连接多个用户终端，用户可通过各自的终端使用和控制计算机，我们把一台计算机连接多个终端的计算机系统称为分时计算机系统，或称分时系统。特点： 多路调制性：众多联机用户可同时使用同一台计算机 独占性：各终端用户感觉到自己独占了计算机 交互性：用户与计算机之间可进行“会话”分时操作系统实时处理什么是“实时”计算机对外来的信息能够以足够快的速度进行处理，并且在被控对象允许的时间范围内作出快速反应。实时处理以快速反应为特征，对实时信号能在截止期限之内处理并作出反应。实时操作系

17、统实时操作系统：对用户（外部）的请求，实时操作系统能在规定的时间内处理完毕。实时操作系统的类型：实时控制： 工业过程控制、防空系统等实时信息处理：情报检索和查询、飞机订票系统实时操作系统特点：系统对外部的信号必须能及时响应要求高可靠性和安全性，效率则放在第二位系统整体性强不要求很强的“会话”能力嵌入式操作系统什么是嵌入式系统？在各种设备、装置或系统中，完成特定功能的软硬件系统它们是一个大设备、装置或系统中的一部分，这个大设备、装置或系统可以不是“计算机”通常工作在反应式或对处理时间有较严格要求环境中由于它们被嵌入在各种设备、装置或系统中，因此称为嵌入式系统在嵌入式系统中的OS，称为嵌入式操作系

18、统嵌入式操作系统的应用智能卡移动通信计算机外设机顶盒零售设备印刷机复印机互联网服务器电话交换设备手持系统的特性 完成某一项或有限项功能；不是通用型的内存少，处理机速度慢，屏幕小 为了减少手持设备尺寸，使用耗电更小，体积更小，速度更慢的处理器； 操作系统和应用程序的设计不能加重处理器的负担 有些手持设备可使用无线技术，允许远程访问电子邮件和浏览网页Linux与Android的相互关系Android基于Linux内核，Android为什么会选择Linux1、强大的内存管理和进程管理方案2、基于权限的安全模式3、支持共享库4、经过认证的驱动模型5、Linux本身就是开源项目/view/1241829

19、.htm操作系统的类型 批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统个人计算机操作系统 网络操作系统 分布式操作系统 嵌入式操作系统操作系统是一个大型的程序系统软件，是一些程序模块的集合，它负责计算机的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，实现信息的存取和保护。它提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。操作系统使整个计算机系统实现了高效率和高度自动化。操作系统是整个计算机系统的核心。 （三）操作系统的定义操作系统的定义 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 以尽量有效合理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,向用户提供

20、各种服务功能，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的运行。资源共享：多个计算任务对计算机系统资源的共同享用。资源竞争：多个计算任务对计算机系统资源的争夺。现代操作系统的特征并发：系统中同时存在多个程序处理多个同时性活动宏观上：这些程序是同时在执行的微观上：任何时刻只有一个程序在执行，即微观上这些程序在CPU上轮流执行共享：多个计算任务对系统资源的共同享用操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源（共享有限的系统资源）操作系统要对系统资源进行合理分配和使用 资源在一个时间段内交替被多个进程所用不确定性：操作系统能处理大量的、随机的事件序列，使各用户的计算任务正

21、确地完成。 虚拟性虚拟性：操作系统的一种管理技术，把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术通过多道程序和分时技术，将物理上的一个CPU变成逻辑上的多个CPU虚拟存储器把物理上的多个存储器(主存和辅存)变成逻辑上的一个虚拟存储器通过窗口技术把物理上的一个屏幕变成逻辑上的多个虚拟屏幕2007-3-343（四）操作系统的功能文件操作存储管理CPU调度执行程序进程间的通信输入输出操作错误检测和报告用户和安全管理操作系统的资源管理功能处理机存储器I/O设备软件资源处理机管 理存储器管 理设 备管 理文 件系 统系统资源操作系统功能模块 把操作系统看成一个

22、资源管理器。换句话说，从资源管理的角度看操作系统有如下四个功能：操作系统的资源管理功能一 处理机分配 1. 制定调度策略（调度原则） 2. 给出调度算法 3. 具体的实施处理机分派二 存储器管理 1. 存储分配和存储无关性 2. 存储保护 3. 存储扩充三 设备管理 1. 设备无关性 2. 设备分配 3. 设备的传输控制四 软件资源管理 为用户提供一种简便、统一的存取和管理信息的方法，解决信息的共享、数据的存取控制和保密等问题。2007-3-346（五）操作系统的类型单用户、单进程操作系统MacOS、DOS、Windows3.1单用户、多进程操作系统PC机OS/2、WindowsXP多用户、多

23、进程操作系统大学、公司大型用户群的、中型机、大型机UNIX、Linux、WindowsNT等主要操作系统 Microsoft Windows系统 Unix系统自由软件Linux和FreeBSDWindows 1.0（1985）Windows 2.0（1987）Windows 3.0（1990）Windows 95（1995）Windows 3.xWindowsMe（2000）Windows 98（1998）WindowsXP（2001）WindowsNT3.1(NT第1版)（1993）WindowsNT3.51(NT第3版)Windows2000(NT5.0)（2000）Windows CE（

24、1998）WindowsNT3.5(NT第2版)WindowsNT4.0(NT第4版)（1996）微软公司Windows操作系统产品线Windows Vista（2005）第一版(1971年)第三版(1973年)第六版(1975年)SYSTEM III(1982年)第七版第八版第九版第十版1989年SYSTEM V(1983年)SVR2(1984年)SVR3(1987年)SVR4(1989年)SUNSolarisIBM AIXHP UX1BSD(1978年)2BSD(1978年)3BSD(1979年)4.0BSD(1980年)4.4BSD(1993年)MACH2.5OSF/1(1989年) D

25、EC OSF/1Digital UNIXTru64 UNIX UNIX发展 第一章 绪论1.1 UNIX是一种精良的OS 可完成系统赋予OS的所有任务 与用户有良好的交互界面 在资源管理中有独到的算法和策略 开源软件使其技术有了长足发展1.2 UNIX的特征。核心部分设计简单且功能全面。支持多用户、多任务。文件系统可装卸。有良好的开放性及可移植性。具有强大的命令功能。具有完善的安全机制。具有网络特性2007-3-3521.3 UNIX的历史和现状1965年 MIT 和 GE 联合开发 Multics多用户、并发访问、交互式的分时系统计算功能、数据共享AT&T 贝尔实验室后来加入1969年 Ke

26、n Thompson 宇宙飞船游戏程序Ken Thompson等在GE-645上开发多用户文件系统GE-645分时系统、75美元1969年 PDP-7上诞生了UNIX小型系统内核早期版本的UNIX文件系统、进程管理系统、内存管理系统、小型命令解释程序Multics (Multiplexed Information and Computing System)UNICS (Uniplexed Information and Computing System)1971年11月 UNIX第一版正式发布2007-3-353UNIX的发展Thompson准备为UNIX开发一FORTRAN编译器，由此催生B

27、语言(BCPL)1972年6月，B语言重写UNIX，得到UNIX第2版Ritchie开发C语言1973年2月Thompson和Ritchie用C重写UNIX改变了用汇编语言开发OS的历史提高了OS的可移植性公开源代码，便于阅读修改1974年7月Thompson和Ritchie在ACM通讯发表UNIX操作系统，标志着一个时代的开始 1988年后 UNIX标准化阶段AT&T与 Sun：UNIX system V.4; IBM与HP:UNIX 标准版 90年代后 并行处理及分布式网络系统 我国UNIX应用较熟悉微机版，目前广泛使用的是Linux系统，Solaris是新的典范20世纪80年代，商业化阶

28、段 形成了多个UNIX系统研究开发机构，BELL实验室 、加州大学伯克利分校、IBM、HP(AIX、HP-UNIX、Solaris) UNIX 发 展 与分 类 2007-3-356BSD UNIXBSD UNIX1975年Thompson 在 UC Berkeley 进行 UNIX教学研究和贝尔实验室交互，不断发展1977年Bill Joy Pascal编译器、ex、UNIX捆绑 BSD (Berkeley Software Distribution)1978年 2BSD 1981年 4BSD1983年9月 4.2BSDTCP/IP、文件系统、改善的系统接口、新的信号机制1986年6月4.3

29、BSD包括了XNS网络软件、系统参数调整、目录文件名缓存、DNS服务等功能2007-3-357贝尔实验室版 UNIX1976年 Ritchie开发可移植标准函数库stdioUNIX和C能继续发展的关键步骤程序员不必编写依赖硬件的代码Ritchie扩展UNIX增加C语言的Union结构、扩展数据类型 16位-32位重写内存管理程序、设备程序接口1979年1月 UNIX第7版 可移植的OS1982年 第一个商业版本 UNIX System III1984-1987 UNIX System V Release 2/31987年底UNIX用户逾400万2007-3-358UNIX 随硬件发展而普及当时

30、的计算机靠手工操作，没有软件和OS2007-3-359运算速度：5000次/每秒, 18000个真空管, 占地182平方米，重量130吨，功耗140kW程序员提前预约一段时间,然后到机房运行程序，期盼着在接下来的时间中几万个真空管不会烧断从而可以计算完自己的题目2007-3-360UNIX 随硬件发展而普及1965年MULTICS首先应用于大型机服务于多个用户2007-3-361UNIX 随硬件发展而普及1971年11月 UNIX第一版正式发布可在小型机运行，支持编译等应用程序，是分时系统2007-3-362UNIX 随硬件发展而普及80年代初UNIX开始应用于微型机 促进UNIX发展的重要组

31、织1、联合组织 USG Unix Support Group USDLUnix System Development Laboratory USLUnix System Laboratories以上三方商业运做后派生出AT&T，发布了PWB（Unix Programmers Work Bench).2、大学组织早期UNIX对大学是免费的，应用非常广。诞生了典型BSD（Berkeley Software Distributions)UNIX分支。三、自由软件Linux/open solaris融入了两个分支特点，为个人机，工作站开发软件。2007-3-364UNIX的开放性和研究群体UNIX1-

32、6贝尔实验室开发 用于学术研究UNIX用C编码UNIX开放C源代码允许用户并发运行多个进程全世界都开始关注、使用、研究UNIX伴随计算机软、硬件、网络应用UNIX不断发展开放软件系统(open software system)各个用户团体都可以免费得到系统UNIX的研究群体UNIX支持组织(USG)UNIX系统开发实验室(USDL)UNIX系统实验室(USL)2007-3-365UNIX的变种UNIX的演变源于同一内核中的不同分支20世纪70年代至80年代的许可证管理制度软硬件的发展和UNIX的广泛开源传播UNIX派生出很多分支不同之处使得不同版本包含了很多丰富的功能相似之处使得不同版本具有很

33、高的同质性UNIX的大量变种导致很多不便不同版本间一些命令和程序不兼容损害系统的易用性UNIX标准化IEEE POSIX (Portable Operating System Interface)Linux和FreeBSDLinux由芬兰赫尔辛基大学计算机系大学生Linus Torvalds，在从1990年底到1991年的几个月中，为了自己的操作系统课程学习和后来上网使用而陆续编写的。在2001年初Linux World大会前夕推出了Linux2.4内核 ，现在推出了Linux2.6。FreeBSD是美国加利福尼亚洲大学伯克利分校开发的支持POSIX标准的免费操作系统，它基于4.4BSD 。2

34、007-3-367LinuxLinus Torvalds开发Internet上众多程序员的共同努力Linux是System V和BSD的后续版本System V的特性BSD的特性MIT X Window系统其他特性个人计算机和网络工作站大量使用Linux开放可扩展性好免费2007-3-368UNIX普及和成功的原因系统以高级语言书写，易读、易懂、易修改、易移植简单的用户界面构件机制 ：由简单的模块构造出文件系统使用简单、维护方便、实现高效文件格式使用字节流，对用户程序透明，使程序易于书写把设备作为文件管理多用户、多进程、交互式分时系统较好的隐蔽了机器的体系结构，便于应用程序移植1.4 开源软件

35、与UNIX的推广软件的分类 商业软件 试用软件(Shareware，国内也往往译成“共享软件”) 公有软件(Public Domain Software，也可译成“公有领域软件”) 自由软件（或从技术特征上命名，称“开放源代码软件”） OpenSource的实质OpenSource is a process, OpenSource is not a product用于描述那些源码可以被公众使用的软件，并且此软件的使用、修改和发行也不受许可证的限制。 目的：快速的开发、分布式的开发、最佳的人才 、发展蓝图、有效的人员管理模式 OpenSource 特点：免费发布，用户无需缴纳License费用由一个核心组织领导, 通常由一个很大的社团在Internet上协作开发完成 更容易根据自己的特殊要求，进行定制 生命周期不依附于某个公司，因此有更强的生命力 开放源代码软件，已经形成了一条完整的商业价值链，正在走着一条独具特色的路。四种自由1）可以自由运用该软件，无论是什么目的。（第零种自由，也就是说最基础的自由）2）可以自由