计算机专业-第1章

第一章操作系统引论操作系统的定义和作用操作系统的主要类型操作系统的基本特征操作系统的主要功能Page12023/2/2什么是操作系统定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程、方便用户使用计算机的程序的集合。Page22023/2/2功能：

替用户及其应用管理计算机上的软硬件资源保护计算机资源的公平竞争和使用防止对计算机资源的非法侵占和使用保证操作系统本身正常运转操作系统的作用（范畴）Page32023/2/21.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统系统方式（交互方式）命令行菜单式命令脚本式系统调用形式上类似于过程调用，在应用编程中使用图形用户接口图形、窗口等操作系统的作用（范畴）Page42023/2/22.OS作为计算机系统资源的管理者计算机的硬件资源包括处理机、存储器、I/O设备及数据和程序等管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）处理机管理存储器管理I/O设备管理文件管理Page52023/2/23.OS用作扩充机器OS是扩展机(extendedmachine)/虚拟机(virtualmachine)将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机在裸机上添加：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CPU）合理组织工作流程：作业管理、进程管理操作系统的非形式化定义（关键点）：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能OS能把一台“裸机”改造成功能更强大、用户使用更方便灵活、更安全可靠的虚拟机裸机I/O设备管理软件文件管理软件窗口软件操作系统的作用（范畴）Page62023/2/2设计操作系统的目标方便性（用户的观点）提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别，使计算机更容易使用有效性（系统管理人员的观点）使CPU、I/O设备和存储空间得到有效利用；管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程可扩充性OS应采用层次化结构，以便于增加新的功能层次和模块，并能修改老的功能层次和模块开放性遵循标准规范，方便地实现互连，实现应用的可移植性和互操作性Page72023/2/2操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统Page82023/2/2人工操作方式(慢羊羊的烦恼)1946~50年代（电子管），集中计算（计算中心），计算机资源昂贵工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员；用户是计算机专业人员；编程语言：机器语言输入输出：纸带或卡片计算机的工作特点用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低CPU等待用户：计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低严重降低了计算机资源的利用率———人机矛盾！驱动力：个人英雄主义Page92023/2/2脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式(慢羊羊的烦恼.续)事先将用户程序或数据的纸带或卡片准入纸带输入机，在外围机的控制下输入到磁带上，CPU从磁带上读入数据；输出过程正好相反特点减少了CPU的空闲时间提高I/O速度硬件不断发展，CPU速度的提高、系统规模扩大，人机矛盾严重，如何解决？磁带磁带磁带磁带Page102023/2/2无操作系统的主要问题主要矛盾机器：等待用户的输入，手工操作的低效率用户：独占全机的所有资源，任何时候只能做一件事操作系统：资源利用率低，拨一下动一下动机：提高效率提高效率的途径专门的操作员批处理Page112023/2/2操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统Page122023/2/2单道批处理系统（SimpleBatchProcessingSystem）50年代末~60年代中（晶体管）核心思想：

利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的批处理监视器（BatchMonitor）自动依次处理。批供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处理中使用一组相同的系统软件（系统带）批处理中作业的组成用户程序数据作业说明书（作业控制语言）Page132023/2/2单道批处理系统的处理流程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密歇根大学执行系统（UMES）：操作系统的黎明（20世纪50年代）Page142023/2/2R.M.Graham,BruceArdenBernardGallerMAD/UMES系统IBM7094Page152023/2/2单道批处理系统的特征单道性内存中只有一道程序运行自动性在顺利的情况下，磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预顺序性磁带上的各道作业是顺序地进入内存，完成顺序与进入内存顺序相同CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业）对计算为主的作业，外设空闲对I/O为主的作业，CPU空闲驱动力：效率问题Page162023/2/2操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统Page172023/2/2多道批处理系统

(MultiprogramedBatchSystem)60年代中~70年代中（集成电路）多道批处理的运行特征多道：内存中同时存放几个作业，并允许并发执行，从而有效地提高了资源利用率和系统吞吐量无序性：多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间无严格对应关系调度性：作业调度，从后备队列进入内存；进程调度，分配处理机运行举例在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业CPU、I/O设备忙闲不均、内存利用率低，如何解决？Page182023/2/2单道与多道程序运行情况19例如：有两道计算问题A和B。A：计算时间50毫秒，打印100毫秒，再计算50毫秒，打印100毫秒，结束。B：计算50毫秒，输入数据80毫秒，再计算100毫秒，打印100毫秒，结束。单道执行：先执行A需要300毫秒；再执行B需要330毫秒。总共为630毫秒。使用处理器时间为250毫秒，则处理器的利用率为

250/630*100%=39.7%总体来说：增加单位时间处理器的计算量，针对每个任务，从开始到全部完成所需的时间比单道执行的时间可能要延长单道与多道程序运行情况20时间0100150180200300400CPU输入机打印机ABABAB50可以看出，从A开始到两个程序都执行结束共需要400毫秒。处理器的利用率为：

250/400*100%=62.5%AB单道与多道程序运行情况Page212023/2/2多道批处理系统的特征多道性多道程序驻留内存：提高了资源的利用率；程序并发执行：提高了系统的吞吐量；无序性作业进入内存先后顺序和完成的先后顺序无对应性调度性作业提交给系统需经过两次调度作业调度进程调度Page222023/2/2多道批处理系统的优缺点优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；Page232023/2/2多道批处理系统需要解决的问题操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进调度，以及方便用户使用的程序集合Q1:处理机管理问题

多个程序如何共享处理机Q2:内存管理问题

如何为每个程序分配内存Q3:I/O设备管理问题

如何分配多种I/O设备Q5:作业管理问题

如何组织各种不同类型的作业Q4:文件管理问题如何组织程序和数据，方便用户使用第三章：处理机调度与死锁第三章：存储器管理第四章：设备管理第五章：文件管理第三章：处理机调度与死锁Page242023/2/2操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统傲慢的代价：分时操作系统Page252023/2/2IBM7094Leader:R.M.GrahamBell实验室+DEC(美国数字仪器公司）+MIT设计人员MULTICS操作系统Bell实验室Unix（图灵奖）MIT分时操作系统DECVMS操作系统Page262023/2/2分时系统(Time-SharingSystem)产生动力：用户需要（一台主机，多用户共享）人机交互共享主机：计算机昂贵便于用户上机：远程联机70年代中期至今主要思想：把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片（timeslice），每个用户依次轮流使用时间片Page272023/2/2分时系统(Time-SharingSystem)多个用户分时：单个用户使用计算机的效率低，因而允许多个应用程序同时在内存中，分别服务于不同的用户。有用户输入时由CPU执行，处理完一次用户输入后程序暂停，等待下一次用户输入“分时”的含义：多个用户分享使用同一台计算机；多个程序分时共享硬件和软件资源前台和后台程序(foreground&background)分时：后台程序不占用终端输入输出，不与用户交互－－现在的图形用户界面(GUI)，除当前交互的程序(输入焦点)之外，其他程序均作为后台按时间片(timeslice)分配：各个程序在CPU上执行的轮换时间Page282023/2/2分时系统中的关键问题如何使用户能与自已的作业进行交互是分时系统的关键问题及时接收及时处理为了实现交互，用户作业必须及时进入内存；不允许一个作业长期占用处理机，须按时间片分配分时系统实现方法：单道分时系统具有“前台”和“后台”的分时系统多道分时系统Page292023/2/2分时系统的特征多路性共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高。促进了计算机的普遍应用，提高资源利用率：远地用户通过终端（较便宜）联机使用独立性每个用户一台终端，互不干扰，感觉像一个人独占计算机及时性用户请求应尽快得到响应交互性用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话，请求系统提供多方面的服务，如文件编辑、数据处理、资源共享等系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间Page302023/2/2操作系统的发展过程无操作系统的计算机系统单道批处理系统多道批处理系统分时系统实时系统网络操作系统分布式操作系统嵌入式操作系统如何解决紧急任务？Page312023/2/2实时系统(Real-TimeSystem)用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括：实时控制：

计算机控制系统，采集数据、处理数据、进行相应控制，提高质量。如核反应堆状态监视系统、化学反应堆监视系统实时信息处理：

及时接收从远程终端发来的服务请求，对信息进行检索和处理，并在很短时间内作出回答主要设计目标：响应时间短；实时时钟管理；连续人机对话；过载防护；高度可靠性和安全Page322023/2/2实时系统(Real-TimeSystem)任务的类型周期性实时任务非周期性实时任务：截止时间(deadline)，开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间）对截止时间的要求硬实时任务（hardreal-timetask）：必须满足截止时间要求，导弹防卫系统软实时任务（softreal-timetask）：流水线通常把兼有分时、实时和批处理三者或其中两者的操作系统，称作通用操作系统。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如UNIX系统、WindowsNT等。－－通用化、小型化Page332023/2/2实时系统与分时系统的比较分时系统实时系统多路性多终端服务多路现场、多个对象、多个执行机构独立性终端服务互相独立、互不干扰信息采集和对象控制互不干扰及时性用户可接受的实时信息系统同分时系统实时控制系统要求高交互性强仅对特定服务可靠性一般强，通常采取容错措施34现代操作系统--微机操作系统的发展配置在微型机上的操作系统称为微机操作系统1、单用户单任务操作系统CP/M：在8位微机中占据统治地位MS-DOS：成为事实上的16位单用户单任务操作系统标准35现代操作系统--单用户多任务操作系统单用户多任务操作系统的含义：只允许一个用户上机，但允许用户将程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效改善系统的性能。目前在32位微机上配置的操作系统基本上都是单用户多任务操作系统，其中最有代表性的是由微软公司推出的Windows。1985年微软推出了Windows1.0版本操作系统1990年推出Windows3.1版本，具有友善的图形用户界面，支持多任务和扩展内存的功能。36Windows3.1操作系统界面371995年推出的Windows95摆脱了MS-DOS的控制，提供了全新的桌面形式，使用户对系统中各种资源的浏览和操纵变得更合理、更容易。Windows95提供硬件“即插即用”功能和允许使用长文件名，大大提高了系统的易用性。381998年，Windows98操作系统是Windows95的升级版本。Windows98全新设计了高稳定性、开放式、高效率的32位网络系统。直接支持对等网络系统的运行，支持局域网络系统的操作，也支持远程网络系统的操作。39WindowsNT是Microsoft公司1993年推出的操作系统。它采用客户/服务器与层次式相结合的结构，可在多处理器的网络服务器等系列机器上运行。WindowsNT是一个具有Windows图形用户接口、提供多操作系统环境的操作系统，为它所包含的Win32、16位Windows、MS—DOS、POSIX和OS/2子系统提供了优越的应用程序兼容性。这是些前任何其他操作系统无法与之相比的。40Windows2000是在WindowsNT基础上修改扩充而成。它继承了Windows98和WindowsNT的特性，并具有标准化安全技术、提供活动目录技术、支持移动用户、支持对称式多处理器系统、提供全面的Internet应用软件服务等新特征。Windows2000有四个支持不同对象应用的系统版本，分别专为个人用户、中小企业、大型企业和大型数据中心开发。41WindowsXP是微软把所有用户要求合成一个操作系统的尝试，和以前的windows桌面系统相比稳定性有所提高，而为此付出的代价是丧失了对基于DOS程序的支持。字母XP表示英文单词的“体验”（experience）422003年4月，WindowsServer2003发布；对活动目录、组策略操作和管理、磁盘管理等面向服务器的功能作了较大改进，对.net技术的完善支持进一步扩展了服务器的应用范围。WindowsServer2003是目前微软最新的服务器操作系统。

43Windows7做了许多方便用户的设计，如快速最大化，窗口半屏显示，跳转列表（JumpList），系统故障快速修复等。Windows7大幅缩减了Windows的启动时间，Windows7将会让搜索和使用信息更加简单,包括本地、网络和互联网搜索功能,直观的用户体验将更加高级,还会整合自动化应用程序提交和交叉程序数据透明性。44Windows8是由微软公司开发的，具有革命性变化的操作系统。该系统旨在让人们的日常电脑操作更加简单和快捷，为人们提供高效易行的工作环境。Windows8将支持来自Intel、AMD和ARM的芯片架构。也就是说，下一代Windows系统还将支持来自NVIDIA、高通和德州仪器等合作伙伴的ARM系统。微软表示，这一决策意味着Windows系统开始向更多平台迈进，包括平板机。45现代操作系统--多用户多任务操作系统允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个人物，使它们并发执行，进而提高资源利用率和系统吞吐量。UNIX

：通用的交互式分时操作系统，是目前唯一可以安装和运行在从微机、工作站、大型机到巨型机上的操作系统UNIX系统稳定性和安全性能非常好，但由于它多数是以命令方式来进行操作的，不容易掌握，特别是对于初级用户。46硬件KernelShell文件系统内核：分时操作系统

外壳程序：与用户进行交互。对存储在存储设备（如硬盘）中的文件进行组织管理UNIX在高端服务器、Internet服务器领域、数据库和在线事务处理方面仍占据统治地位。4748Linux是网络时代的产品。Linux的原形一出来就放到Internet上，声明为自由软件，允许人们自由下载。这样就吸引了许多人对它进行改造、扩充和完善。Linux继承了UNIX的优点，并做了许多改进。它是一个多任务多用户的通用操作系统。它具有许多特点：支持TCP/IP网络协议，并能与其他网络集成，使异种机能方便地入网；它支持并行处理和实时处理，能充分发挥硬件性能；它支持多种文件系统，方便用户使用，等等。因此，Linux是一个具有广泛应用领域的操作系统。49Page502023/2/2操作系统的基本特征并发（Concurrence）共享(Sharing)虚拟(Virtual)异步(Asynchronism)51并行性：两个或多个事件在同一时刻发生并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

在多道程序系统（单处理器）中，宏观上并行，微观上串行（分时交替执行）程序是静态实体，不能并发执行，为使多个程序并发执行，引入进程。操作系统最重要的特征并发（Concurrence）52并发——进程引入进程的目的：为了使多个程序并发执行一个应用程序的计算程序和I/O程序可以分别建立两个进程，并发执行，从而提高执行效率。内存中可以存放多个用户程序，分别建立进程后这些进程就可以并发执行即多道程序运行。53并发——进程进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位进程由一组机器指令、数据和堆栈等组成，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息一个进程运行时需要一定的资源，如CPU、存储空间和I/O设备等54并发——线程比进程更小的运行单位线程一个进程可以包含多个线程，它们可以利用同一进程所拥有的资源进程是独立分配资源的基本单位线程是独立运行和独立调度的基本单位线程比进程更小，基本不拥有系统资源，所以对其调度所付出的开销就小得多，能更高效的提高系统内多个程序之间并发执行的程度线程是现代操作系统的一个重要标志55在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用共享方式：互斥共享方式：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用,如打印机、磁带机

临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源同时访问方式，如可重入代码，磁盘文件.宏观并行微观串行并发和共享互为存在的条件共享(Sharing)56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。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术虚拟技术(Virtual)57虚拟技术(Virtual)1、时分复用技术（分时使用技术）1）虚拟处理机

利用多道程序设计技术，为每一道程序建立一个进程，并发执行，分时使用一台处理机2）虚拟外部设备将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，临界资源变成一段时间内多个用户同时访问的的共享资源。582、空分复用技术（提高存储空间利用率）1）虚拟磁盘技术：将一个硬盘虚拟为多个虚拟硬盘，即硬盘分区。2）虚拟存储器技术：逻辑上扩充存储器的容量，本质上就是使内存分时复用。使一道程序通过分时复用方式在远小于它的内存空间中运行。虚拟技术(Virtual)59指进程的执行顺序和执行时间的不确定性进程的运行速度不可预知：多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢；无论快慢，结果应该相同。通过进程互斥和同步手段来保证；难以重现系统在某个时刻的状态（包括重现运行中的错误）;异步性(Asynchronism)Page602023/2/2操作系统的主要功能处理机管理功能存储器管理功能设备管理功能文件管理功能操作系统的主要任务，是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、高效地运行，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。包括：61处理机管理功能

处理机管理的主要功能：创建和撤销进程(线程)，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，以及按照一定的算法把处理机分配给进程(线程)主要功能有：进程控制：为作业创建进程、撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换进程同步：为多个进程(含线程)的运行进行协调

协调方式：互斥和同步主要功能——