计算机操作系统第3讲

第1章操作系统引论操作系统的目标和作用操作系统的发展过程操作系统的基本特征操作系统的主要功能操作系统的结构设计UNIX操作系统简介1.4操作系统的功能处理机管理存储器管理设备管理文件管理用户接口一、处理机管理的功能处理机管理的主要任务：是对处理机进行分配对处理机运行进行有效的控制和管理注：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处理机管理的功能进程控制进程同步进程通信调度二、存储器管理的功能主要任务为多道程序的运行提供良好的环境方便用户使用存储器提高存储器的利用率从逻辑上扩充内存功能内存分配（静态分配、动态分配）内存保护地址映射内存扩充三、设备管理的功能主要任务完成用户提出的I/O请求为用户分配I/O设备提高I/O设备的利用率及速度方便用户使用I/O设备功能缓冲管理设备分配设备处理虚拟设备四、文件管理的功能主要任务对用户文件和系统文件进行管理方便用户使用文件保证文件的安全性功能文件存储空间的管理目录管理文件的读、写管理和保护五、OS与用户接口管理的功能主要任务方便用户使用操作系统功能用户接口（联机用户接口-命令方式、图形用户接口，脱机用户接口）程序接口（系统调用）1.5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：传统的操作系统结构无结构操作系统模块化结构OS分层式结构OS客户/服务器模式面向对象的程序设计微内核OS结构无结构操作系统OS是由众多的过程直接构成，各过程之间可相互调用，但OS内部不存在任何结构，所以这种OS是无结构的，又称为整体系统结构。缺点：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。模块化结构操作系统（1）OS是采用“模块化程序设计”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。所以这种OS称为模块化OS结构。模块的独立性关键：模块的划分和规定好模块之间的接口衡量独立性的两个标准：内聚性：指模块内部各部分间联系的紧密程度耦合度：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（2）优点提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性增强了OS的可适用性加速了OS的开发过程缺点：模块及接口划分较困难未区别共享资源和独占资源由于管理上的差异，使OS结构变得不够清晰分层式结构操作系统（1）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OS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OS结构称为分层式OS结构。特点：每一步设计都建立在可靠的基础上，结构更清晰调试和验证更容易，正确性更高分层式结构操作系统（2）分层式结构的优点：易保证系统的正确性易扩充和易维护缺点：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，增加了系统开销。客户/服务器模式（1）客户/服务器模式的组成客户机：每台客户机都是一个自主计算机，客户进程在运行服务器：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。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。客户/服务器之间的交互：客户发送请求消息、服务器接收消息服务器回送消息、客户机接收消息客户/服务器模式（2）客户/服务器模式的优点数据的分布处理和存储。便于集中管理。灵活性和可靠性。易于改编应用软件不足之处存在着不可靠性和瓶颈问题改进方法：在网络中配置多个服务器，并采取相应的安全措施。面向对象的程序设计面向对象技术的基本概念对象类继承面向对象技术的优点通过“重用”提高产品质量和生产率。使系统具有更好的易修改性和易扩展性。更易于保证“正确性”和“可靠性”微内核的OS结构（1）微内核技术的主要思想在OS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“客户/服务器”模式。客户进程可通过内核向服务器进程发送请求，以取得OS的服务。微内核精心设计的，能实现现代OS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，不会因内存紧张而换出，它为构建通用OS提供了一个重要基础。微内核的OS结构（2）微内核OS的基本概念在进行现代OS结构设计时，大多采用基于客户/服务器模式的微内核结构，将OS分为两部分：微内核和多个服务器。足够小的内核基于客户/服务器模式应用“机制与策略分离”原理采用面向对象技术微内核的基本功能进程（线程）管理低级存储器管理中断和陷入处理优点：微内核OS结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，并采用了C/S模式和OO的程序设计技术提高了系统的可扩展性增强了系统的可靠性提供了对分布式系统的支持融入了面向对象技术微内核的OS结构（3）微内核OS存在的问题与早期的OS相比，微内核OS的运行效率有所降低最主要的原因：P32微内核的OS结构（4）1.6UNIX系统简介UNIX系统的发展UNIX系统的特性开放性（系统遵循国际标准规范）多用户、多任务环境功能强大、实现高效提供丰富的网络功能支持多处理机的功能UNIX系统的内核结构P356图10-1UNIX系统的发展UNIX系统是美国贝尔实验室的两名程序员K.Thompson和D.M.Ritchie为PDP-7机器所设计和实现的一个分时操作系统。最初采用汇编语言编写，后采用了C语言，并先后形成了第3、4、5、6、7版、UNIXSystemv2.0(UNIXSVR2)、UNIXSVR3、UNIXSVR4、UNIXSVR4.2版本以及BSDUNIX版本系列。UNIX是目前世界上最成功、最流行的OS之一。UNIX操作系统发展历程图（下页）SVR41989IBMAIXSunSolaris第10版1988SystemIII1982Systemv1983SvR21984SVR319871BSD19772BSD19783BSD19784.0BSD19794.3BSD19864.4BSD1992第1版1969年第5版1973第6版1976第7版1978第8版1982第9版1986BellLabsUNIX版本发展历史1.7自由软件和Linux操作系统(1)商业软件共享软件自由软件自由软件是指遵循通用公共许可证GPL（GeneralPublicLicense）规则，保证使用上的自由、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，也可以有收费的自由的一种软件。自由软件出现的意义。自由软件和Linux操作系统(2)

自由软件与RichardStallman(1)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错误，使用尤为不便。GNU的含义是GNUisNotUNIX（递归定义），是一个自由软件工程项目，由自由软件的倡导者RichardStallman先生指导并启动的一个组织成立了自由软件基金会(FSF)。目的是为了建立免费的UNIX系统。自由软件和Linux操作系统(3)

自由软件与Richardstallman(2)GNU写出一套和UNIX兼容，但又是自由软件的UNIX系统，GNU完成了大部分外围工作，包括外围命令gcc/gcc++,shell等，最终Linux内核为GNU工程划上了一个完美句号。自由软件和Linux操作系统(4)

自由软件的经典之作：

C++编译器、ObjectiveC、FORTRAN77、C库、BSDemail、BIND、Perl、Apache、TCP/IP、IPaccounting、HTTPserver、LynxWeb、…Linux操作系统(1)Linux是由芬兰藉科学家LinusTorvalds于1991年编写完成的操作系统内核。许多人对Linux进行改进、扩充、完善，做出了关键性贡献----Linux由最初一个人写的原型变成在Internet上由无数志同道合的程序高手们参与的一场运动。Linux操作系统(2)

Linux技术特点(1)

(1)继承了UNIX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，具有极强的生命力；

(2)通用操作系统，可作为Internet上的服务器；网关路由器；可用做文件和打印服务器；也可供个人使用；

(3)内置通信联网功能，可让异种机联网；

Linux操作系统(3)

Linux技术特点(2)(4)开放源代码，有利于发展各种特色的操作系统；

(5)符合POSIX标准（可移植操作系统接口），各种UNIX应用可方便地移植到Linux下；

(6)提供庞大的管理功能和远程管理功能；

(7)支持大量外部设备；

Linux操作系统(4)

Linux技术特点(3)

(8)支持32种文件系统,如Ext2、Ext3、Xiafs、Isofs、Hpfs、MSDOS、UMSDOS、Proc、NFS、SYSV、Minix、SMB、Ufs、Ncp、VFAT、AFFS等；

(9)提供GUI，有图形接口X-Windows，有多种窗口管理器；

(10)支持并行处理和实时处理，能充分发挥硬件性能；

(11)可自由获得源代码，在Linux平台上开发软件成本低

Linux操作系统(5)

Linux技术特点(4)

(12)多用户多任务系统

Linux的关键特点就是支持多用户多任务。多用户是指在同一时刻可以有多个用户同时登陆系统并完成各自的工作或操作，多任务是指在同一时刻用户可以有多个进程同时运行且完成各自的工作或操作。1.8

Netware操作系统(1)Netware是Novell公司开发的网络操作系统。具有高性能文件系统、支持DOS、OS/2、MAC、及UNIX文件格式;具有三级容错，可靠性高;安全保密性好;提供开放的开发环境。Netwarelite是廉价点对点NOS，支持25个用户，每个结点可作为对等机。Netware2.2是为小单位和工作组开发的NOS，满足工作组用户的各种需要。Netware操作系统(2)Netware3.1x是32位NOS，更能发挥高档PC的计算能力，支持用户可达256个，能支持DOS，Windows、Macintosh、OS/2和UNIX工作站访问Netware服务器。Netware4.xx是其NOS新版，增强了网络目录服务，支持用户数可达1000个。Netware操作系统(3)Netware3.11是最为成功的NOS，占有很大市场份额，Novell对其进行了改进于1993年8月推出替代产品Netware3.12，加进了功能：电子邮件、支持Windows用户工具、CD-ROM、加强工作站Shell。课程主要内容操作系统引论（第1章）进程管理（第2-3章）存储管理（第4章）设备管理（第5章）文件管理（第6章）操作系统接口（第7章）Unix操作系统（第10章）从进程的观点研究操作系统把OS看作是由若干个可独立运行的程序和一个可对这些程序进行协调控制的核心（内核）组成。这些运行的程序称为进程，它是资源分配和独立运行的基本单位，每一个进程都完成某一特定任务。OS的内核则必须要控制和协调这些进程的运行，解决进程之间的通信，并从系统可并发工作为出发点，实现并发进程间通信，并解决由此带来的共享资源的竞争问题。第2章进程管理

ProcessManagement进程的基本概念与控制进程的基本概念进程控制线程的基本概念UNIX中进程的描述与控制进程同步与通信进程同步经典进程的同步问题管程机制进程通信UNIX中进程的同步与通信调度与死锁（第3章）2.1进程的基本概念前趋图程序顺序执行程序并发执行进程的描述进程的定义、特征进程的状态（状态、状态转换及挂起状态）进程控制块PCB一、前趋图的定义3前趋关系：P1P2，

P2P5，

P5P7

P1P3，

P3P5

P1P4，

P6P7有向无循环图,记作DAG124567结点，可表示一语句、程序段或进程前趋关系初始结点终止结点直接前趋直接后继前趋图：定义：有向无循环图，是一个二元组，由结点的集合和有向边组成。其中：结点：表示一条语句、一个程序段或一个进程有向边：两个结点之间的前趋关系“

”（={(Pi,Pj)|Pi必须在Pj开始执行之前完成}）。直接前趋、直接后继初始结点、终止结点Eg1：以下三条语句的前趋图为：

S1:a:=x+y

S2:b:=a-5

S3:c:=b+1

Eg2:S1：a:=x+2

S2:b:=y+4

S3:c:=a+b

S4:d:=c+6S1S2S3S1S2S3S4二、程序顺序执行(1)通常一个程序可分成若干个程序段，它们必须按照某种先后次序执行，仅当前一操作执行后，才能执行后继操作。Eg1:S1:a:=x+y

S2:b:=a-5

S3:c:=b+1Eg2:进行计算：I:输入操作C:计算操作P:打印操作在进行计算时，总是先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后将结果打印出来。

S1S2S3二、程序顺序执行(2)程序顺序执行时有如下特征：顺序性—处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，每一操作必须在下一个操作开始之前结束。封闭性—在封闭环境下执行，独占全机资源，执行结果不受外界影响。可再现性—只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“走走停停”地执行，都将获得相同的结果。三、程序并发执行（1）在处理一批作业时，有的程序可实现并发执行S1：a:=x+2

S2:b:=y+4

S3:c:=a+b

S4:d:=c+6I1I2I3I4C1C2C3C4P1P2P3P4S1S2S3S4三、程序并发执行（2）程序并发执行时的特征间断性—相互制约导致并发程序具有“执行-暂停-执行”这种间断性的活动规律。失去封闭性—多个程序共享系统中的各种资源，资源状态由多个程序来改变。不可再现性—由于程序的并发执行，打破了由另一程序独占系统资源的封闭性，因而破坏了可再现性。（补充）程序并发执行的条件（Bernstein条件)（见下页）三、程序并发执行（3）（补充）程序并发执行的条件（Bernstein条件)（使并发执行的程序能保持可再现性）：读集R(pi)={a1,a2,a3,…,am}：表示程序pi在执行期间所需参考的所有变量的集合。写集W(pi)={b1,b2,b3,…,bm}：表示程序pi在执行期间要改变的所有变量的集合。Bernstein条件：若两个程序p1和p2能满足下述条件，它们便能并发执行，且具有可再现性。R(p1)

W(p2)

R(p2)

W(p1)

W(p1)

W(p2)={}程序并发执行条件例题EgS1：a:=x+2S2:b:=z+4S3:c:=a-bS4:w:=c+1试利用Bernstein条件证明：（1）S1与S2并发执行；（2）S1与S3,S2与S3,S3与S4不能。解：各语句的读、写集分别为：R(S1)={x},W(S1)={a},R(S2)={z},W(S2)={b},R(S3)={a,b},W(S3)={c},R(S4)={c},W(S4)={w},因为R(S1)W(S2)={},R(S2)W(S1)={}且W(S1)W(S2)={}所以由Bernstein条件，S1与S2并发执行。同理可证S1与S3,S2与S3,S3与S4不能并发执行（略）。进程的定义、特征1、进程(process)的定义1）进程是程序的一次执行。2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。3）进程是程序在一个数据集合上的运行过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。注：进程与程序的主要区别（见下页）进程与程序的主要区别程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，它是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态概念。程序的存在是永久的。而进程则是有生命期的，它因创建而产生，因调度而执行，因得不到资源而暂停执行，因撤消而消亡。程序仅是指令的有序集合。而进程则由程序段、相关数据段、进程控制块（PCB）组成。进程与程序之间不是一一对应