21-操作系统的定义功能与类型

2.1操作系统的定义、功能与类型一、操作系统的发展历程手工操作阶段早期批处理阶段执行系统阶段多道程序系统阶段分时系统实时系统通用操作系统二、操作系统的定义

操作系统(OperatingSystem—缩写为OS)是一种系统软件。它管理计算机系统的全部软硬件资源和对程序的执行进行控制，还能使用户方便使用硬件提供的计算机功能，也使硬件的功能发挥得更好。注释：操作系统的物理实体是程序的集合；操作系统的功能是管理系统资源；设置操作系统的目的是提高资源使用效率和方便用户使用。操作系统的基本特征：

1）并发性：多任务、多进程、多线程。

2）共享性：互斥访问、同时访问。

3）虚拟性：把一个物理上的对象变成多个逻辑意义的对象。三、操作系统的地位银行系统、飞机订票系统等应用软件层编译软件、编辑软件、命令解释程序操作系统计算机硬件（裸机）逻辑软件层硬件层总结：操作系统是靠近硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充四、操作系统的分类（一）从用户角度分类

1、单用户，单任务（如：DOS）2、单用户，多任务（如：Windows9x）3、多用户，多任务（如：WindowsNT）（二）从硬件的规模角度分类微型机操作系统方便用户中小型机操作系统大型机操作系统系统效率高（三）从系统操作方式的角度分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统

PC操作系统网络操作系统分布式操作系统批处理操作系统1、作业用户在一次上机算题过程中或一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。

2、工作原理

将作业成批地装入计算机，由操作系统将作业按规定的格式组织好存入磁盘的某个区域，然后按照某种调度策略选择一个或几个搭配得当的作业调入内存加以处理；内存中多个作业交替执行，处理的步骤事先由用户设定；作业输出的处理结果存入磁盘某个区域，由操作系统按作业统一加以输出。3、分类

（1）单道批处理系统原理：用户作业成批放在外存，操作系统自动每次调用一道作业到主存运行（2）多道批处理系统原理：将多个作业同时放在内存，当某作业需要I/O时，CPU处理完该请求后赚取做另一道作业。4、特点（1）多道（并发型）（2）成批（减少人工干预时间）分时系统1、时间片

将整个CPU工作时间分成一个个的时间段，每个时间段称为一个时间片，它表征允许用户占用CPU的时间长短。2、工作原理

多个用户“同时”联机地使用计算机，每个用户按时间片轮转占用CPU。

3、特点

（1）多路性一主机连接多终端，“同时”使用计算机（2）交互性用户通过终端直接控制程序（人机“会话”）（3）独立性

I/O较CPU运转速度慢，用户有“独占”感（4）及时性多用户间及时转换，及时处理用户请求分时系统的主要目标：对用户响应的及时性实时系统

1、实时

系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。名词解释：外部事件外部事件是来自与计算机系统相连接的设备所提出的服务请求及采集的数据。

2、工作原理

通过模/数（A/D）转换装置，将描述物理设备状态的某些物理量转换成数字信号传送给计算机，计算机分析接收到的数据，记录结果，并通过数/模（D/A）转换装置向物理设备发送控制信号，来调整物理设备的状态。

3、分类

（1）实时控制系统如武器装备的制导、交通控制、自动驾驶与跟踪等（2）实时信息处理系统如航空订票系统、情报检索系统4、特点

（1）及时响应（2）交互性（3）高可靠性（4）多路性

PC操作系统

PC操作系统是一种联机交互的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的功能相似。网络操作系统

网络操作系统是在传统计算机操作系统的基础上，按照网络体系结构的各个协议标准进行开发，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种应用服务等。分布式操作系统

分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面，用户通过这一界面实现所需要的操作或使用系统资源。五、操作系统的功能从资源管理的观点来看，操作系统的功能主要包括：作业管理、进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。返回2.2作业管理一、作业管理的基本概念1、作业：用户在一次上机算题过程中或一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。2、作业步：作业中每个步骤就称为作业步。各作业步之间相对独立，又相互关联。3、作业流：是指在批处理系统中把一批作业安排在输入设备上，然后依次读入系统进行处理，从而形成了作业流。二、操作系统与用户的接口

1、程序级接口2、作业级接口（1）联机接口分时系统中的终端命令

（2）脱机接口批处理系统中的作业说明书三、作业管理的功能1、作业调度

（1）定义

作业调度是按某种算法从后备作业队列中选择作业进入主存，并为作业做运行前的准备和完成后的善后工作。

（2）作业调度的目标使作业运行最大限度的发挥各种资源的利用率，并保持系统内各种活动的充分运行。（3）作业调度的主要任务按某种算法从后备队列中选择作业为选中的作业分配资源为选中的作业建立相应的进程为选中的作业构造相应的数据结构作业结束时完成该作业的善后处理（回收资源等）（4）作业调度算法的选择选择作业调度算法时应考虑以下问题：设计目标：系统的设计目标是选择算法的主要依据资源利用率在考虑设计目标的前提下应充分发挥多种资源的效能（5）主要作业调度算法①先来先服务算法（FCFS）

调度原则：按照作业到达系统或进程进入就绪队列的先后次序来选择。特点：ａ．“非抢占”算法ｂ．开销非常大ｃ．小作业用户不满意

②短作业优先算法（SJF）

调度原则：选择作业队列中预计运行时间最短的作业。

特点：ａ．“非抢占”算法ｂ．吞吐量（单位时间运行作业量）大ｃ．难于估计作业的等待时间

FCFS和SJF均不适用于分时系统，由于它们不能保证对用户的及时响应。③最高响应比作业优先算法

调度原则：选择响应比高的作业

响应比=1+作业等待时间/估计运行时间

特点：ａ．“非抢占”算法ｂ．有待短作业

c．缩短大作业的等候时间④资源搭配算法⑤多队列循环算法进入队列时间开始运行时间结束运行时间等待时间周转时间作业号进入队列时间估计运行时间(min)开始运行时间运行结束时间等待时间(min)周转时间(min)次序号job18:0050job28:3040job38:4520job48:555按FCFS调度算法8：008：5005012348：509：3020609：309：5045659：509：555560平均等待时间为：30(min)平均周转时间为：58.75(min)作业号进入队列时间估计运行时间(min)开始运行时间运行结束时间等待时间(min)周转时间(min)次序号job18:0050job28:3040job38:4520job48:555按SJF调度算法8：008：5005012349：159：5545858：509：105259：109：151520平均等待时间为：16.25(min)平均周转时间为：45(min)

2、作业控制（1）脱机作业控制（2）联机作业控制返回2.3进程管理一、基本概念

1、进程（1）引入进程的目的

为了实现多个程序的并发执行，以改善资源利用率及提高系统的吞吐量。

（2）进程的定义进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

（3）进程的分类

①系统进程

②用户进程系统进程的优先级通常高于一般用户进程的优先级2、线程

（1）线程的定义

线程是进程内的一个可调度实体，是一个执行单元。轻量进程。（2）线程与进程的主要区别线程不能独立分配资源，只能和共属同一进程的其他线程共享资源。程序是构成进程的组成部分之一；从静态的角度看，进程是由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成。一个进程的运行目标是执行它所对应的程序；没有程序，进程就失去实际存在的意义；进程与程序的联系是什么？程序是静态的，而进程是动态的；进程是有生命周期的，而程序的存在是永久的；程序的存放需要介质，进程的执行需要处理机；进程具有创建其它进程的功能；一个程序可能同时对应多个进程，一个进程可能包括着多个程序。进程与程序的区别是什么？二、进程的特性（1）并发性（2）动态性（3）独立性（4）交往性（5）异步性三、进程的状态及其状态转换

1、运行状态

是指进程已获得CPU，并且在CPU上执行的状态。

2、就绪状态

是指一个进程已经具备运行条件，但由于没有获得CPU而不能运行时所处的状态。

3、等待状态

也称阻塞状态或封锁状态。是指进程因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态。运行状态就绪状态等待状态时间片用完

进程被调度程序选中（获得CPU）

等待的事件已发生（已获得资源等）

等待某事件发生（无CPU和资源）进程状态转换图四、进程控制块

为了便于系统控制和描述进程的活动过程，在操作系统核心中为进程定义了一个专门的数据结构，称为进程控制块PCB（ProcessControlBlock）。

PCB是进程存在的唯一标志。

1、PCB的内容（1）调度信息（2）现场信息2、进程的组成

程序数据

PCB（进程控制块）五、进程的同步与互斥

1、进程的同步2、进程的互斥六、进程的通信1、直接通讯：消息缓冲通信2、间接通讯：管道通信、信箱通信七、进程控制

进程控制的作用就是对进程在整个生命周期中各种状态之间的转换进行有效的控制。进程控制是通过原语来实现的。

1、原语

把系统状态下执行的某些具有特定功能的程序段称为原语。

2、用于进程控制的原语创建进程撤消进程阻塞进程唤醒进程

此外，还有挂起进程、激活进程以及改变进程优先级等。八、进程调度

进程调度算法：解决以何种次序对各就绪进程进行处理机的分配以及按何种时间比例让进程占用处理机。（1）先进先出算法（FIFO）（2）时间片轮转算法（RR)（3）最高优先数算法（HPF）九、死锁1、什么是死锁由于系统资源分配不当或进程间相互竞争资源或资源被某一进程长期独占，从而导致进程无限期等待资源释放的状态。2、资源的概念按照资源的使用性质，可把系统中的资源分成以下两类：（1）永久性资源（可再使用资源）（2）临时性资源（消耗性资源）可再用资源和消耗性资源都可能导致死锁发生。3、死锁产生的原因（1）系统提供的资源数量有限，不能满足每个进程的使用；（2）多道程序运行时，进程推进顺序不合理。4、死锁的解除常常可以采用下面两种方法：（1）资源剥夺法（2）撤消进程法返回2.4存储管理存储管理负责计算机系统存储器的管理，存储管理主要是指对内存空间的管理。

内存空间一般分为：

(1)系统区，存放操作系统，一些标准子程序。

(2)用户区，存放用户的程序和数据等。一、基本概念

1、实存储器和虚存储器

（1）实存储器实存储器是计算机系统中配置的实际物理存储器。通常有三类：

内存储器（主存储器）、外存储器（辅助存储器）和高速缓存（2）虚存储器虚存储器有两层含义：

①指用户程序的逻辑地址构成的地址空间；②指当内存容量不满足用户要求时，采用一种将内存空间与外存空间有机地结合在一起，利用内外存自动调度的方法构成的一个大的存储器，从而给用户程序提供更大的访问空间。2、逻辑地址和物理地址（1）逻辑地址用户程序经过编译或汇编形成的目标代码，通常采用相对地址形式，其首地址为零，其余指令中的地址都是相对首地址而定。这个相对地址就称为逻辑地址或虚拟地址。（2）物理地址物理地址是内存中各存储单元的编号，即存储单元的真实地址，是可识别、可寻址并实际存在的。3、地址映射为了保证CPU执行程序指令时能正确访问存储单元，需要将用户程序中的逻辑地址转换为运行时可由机器直接寻址的物理地址，这一过程称为地址映射或地址重定位。地址映射又可分成两类：（1）静态地址映射。（2）动态地址映射。二、内存管理1、内存扩充将外存作为主存的扩充部分供用户程序使用。2、内存分区

对内存空间的划分可以是静态的，也可以动态的；可以是等长的，也可以不等长。（1）静态划分——指系统运行前将内存空间划分为若干区域。（2）动态划分——在系统运行的过程中才划分内存空间。（3）等长分区——将存储空间划分为若干个长度相同的区域。（4）不等长分区——将存储空间划分为若干长度不同的区域。

3、碎片处理（1）什么叫“碎片”

碎片是指内存中出现的一些零散的小空闲区域。（2）解决碎片的方法紧凑技术（拼接技术）—移动所有的占用区域，使所有的空闲区合并成一片连续区域。20KB30KB10KB10KB10KB作业1作业2作业3作业4未使用10KB20KB10KB30KB10KB未使用作业2未使用作业4未使用20KB30KB30KB作业2作业3未使用使用紧凑技术解决碎片三、分区存储管理

1、固定分区系统将内存划分为若干固定的分区，当作业申请内存时，系统为其选择一个适当的分区，并装人内存运行。

2、可变分区可变分区是指在作业装入内存时建立分区，使分区的大小正好与作业要求的存储空间相等。四、页式存储管理基本原理为：

1、内存划分

页式存储管理将内存空间划分成等长的若干区域，每个区域称为一个物理页面，也叫内存块或块。内存的所有物理页面从0开始编号，称作物理页号或内存块号。每个物理页面亦从0开始依次编址，称为页内地址。0123内存012页内地址物理页面（内存块、块）2、逻辑地址空间划分

系统将用户程序的逻辑空间按照同样大小也划分成若干页面，称为逻辑页面，简称为页。程序的各个逻辑页面从0开始依次编号，称作逻辑页号或相对页号。每个逻辑页面内也从0开始编址，称为页内地址。用户程序的逻辑地址由逻辑页号和页内地址两部分组成。逻辑页号页内地址用户程序逻辑空间0123012页内地址逻辑页面3、内存分配存储分配时，以页面（块）为单位，并按用户程序的页数多少进行分配。逻辑上相邻的页面在内存中不一定相邻。五、段式存储管理基本原理：1、内存划分

内存空间被动态地划分为若干个长度不相同的区域，每个区域称作一个物理段。每个物理段在内存中有一个起始地址，称作段首址。将物理段中的所有单元从0开始依次编址，称为段内地址。0123物理段段内地址内存段首地址2、逻辑地址空间划分用户程序按逻辑上有完整意义的段来划分，称为逻辑段。将一个用户程序的所有逻辑段从0开始编号，称为段号。将一个逻辑段中的所有单元从0开始编址，称为段内地址。用户程序的逻辑地址由段号和段内地址两部分组成。段号段内地址01234用户程序逻辑号逻辑段3、内存分配系统以段为单位进行内存分配，为每一个逻辑段分配一个连续的内存区（物理段）。逻辑上连续的段在内存不一定连续存放。

先分逻辑段，然后再根据逻辑段动态地划分物理段。六、段页式存储管理

1、基本思想用页式方法来分配和管理内存空间，即把内存划分为若干大小相等的页面；用段式方法用户程序按照其内在的逻辑关系划分成若干段；再按照划分内存页面的大小，把每一段划分成若干大小相等的页面。用户程序的逻辑地址由三部分组成，形式如下：段号页内地址页号

2、内存分配

内存是以页为基本单位分配给每个用户程序的，在逻辑上相邻的页面内存不一定相邻。页面页面页面页面根据内存段页段段七、虚拟存储管理1、基本思想利用大容量的外存来扩充内存，产生一个比有限的实际内存空间大得多的、逻辑的虚拟内存空间，以便能够有效地支持多道程序系统的实现和大型作业运行的需要，从而增强系统的处理能力。2、虚拟存储原理当进程要求运行时，不是将它的全部信息装入内存，而是将其一部分先装人内存，另一部分暂时留在外存。进程在运行过程中，要使用的信息不在内存时发中断，由操作系统将它们调入内存，以保证进程的正常运行。虚拟存储管理分为虚拟页式、虚拟段式和虚拟段页式。3、虚拟页式存储管理

又称为请求页式存储管理。请求页式的基本思想是，在进程开始执行之前，不是装入全部页面，而是只装入一个（甚至0个）页面，然后根据进程执行的需要，动态地装入其它页面。

（1）页表（2）缺页中断处理（3）页面淘汰（4）页面淘汰算法①最佳淘汰算法（OPT）②先进先出淘汰算法（FIFO）③最近最久未使用淘汰算法（LRU）④最近最少使用淘汰算法（LFU）八、交换技术

交换技术又称对换技术（Swapping）。这种技术多用于分时系统。当内存空间紧张时，系统将内存中某些进程（如暂时不能运行的进程）暂时移到外存，再把外存中某些进程换进内存，占据前面所占区域。交换技术是进程在内存空间与外存空间之间的动态调整，是缓解内存空间紧张矛盾的一种有效方法。返回

设备管理是对计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备的管理。一、设备管理的功能设备管理的主要功能如下： （1）实现对外围设备的分配与回收 （2）实现外围设备的启动 （3）实现对磁盘的驱动调动 （4）处理外围设备的中断事件 （5）实现虚拟设备2.5设备管理二、外围设备的分类1、按设备的工作特性分类 （1）存储设备 （2）输入输出设备2、按设备上数据组织方式分类 （1）块设备 （2）字符设备3、按资源分配的角度分类 （1）独占设备 （2）共享设备 （3）虚拟设备三、输入/输出控制方式输入输出操作是主存储器与外围设备之间的信息传送操作。CPU对外设的控制方式主要有以下4种：循环测试I/O方式中断处理方式直接内存存取（DMA）方式通道方式四、通道技术（一）通道的概念1、通道是一个用来控制外部设备工作的硬件机制。2、独立于CPU专门负责数据输入输出传输工作的处理机。3、对外部设备实现统一管理，使I/O操作可以与CPU并行工作。（二）通道控制结构在一般大型计算机系统中，主机对外部设备的控制可以分成三个层次来实现，即通道，控制器和设备。树形连接交叉连接（三）通道分类按照信息交换方式和所连接的设备种类不同，通道可以分为以下三种类型：1、字节多路通道

连接大量慢速或中速外设，如软盘输入输出机。2、选择通道

数据成组传送，一段时间内只能为一个设备工作。3、数组多路通道

可同时连接多台外设，数据传送按成组方式进行，几个通道程序分时并行工作。

五、缓冲技术操作系统中以缓冲方式实现设备的输入输出操作主要是缓解处理机与设备之间速度不匹配的矛盾，并减少对CPU的I／O中断次数从而提高资源利用率和系统效率。1、缓冲区设置硬缓冲和软缓冲：2、缓冲区管理通常采用单缓冲、双缓冲、多缓冲和缓冲池技术。

六、虚拟设备利用中央处理机与通道并行工作的能力，以及在磁盘上割出称为“井”的专门区域存放作业信息合作也执行结果，并在操作系统中设计预输入程序和缓输出程序，软硬件共同配合，可提高独占设备的利用率。七、驱动调度任何一个对磁盘的访问请求，应给出访问磁盘的存储空间地址：柱面号、磁头号、扇面号。执行一次输入输出操作所花时间有三部分：

（1）寻道时间：磁头在移动臂带动下移动到指定柱面所需时间。

（2）延迟时间：指定扇面旋转到磁头位置所需时间。

（3）传送时间：由磁头把扇区中信息读到主存储器或主存储器中信息写到扇区中所需时间。

一次磁盘服务的总时间就是以上三者之和。对磁盘来说，驱动调度是先“移臂”再“旋转”一、基本概念

文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的有序序列。

信息项是构成文件内容的基本单位，可以是一个字符，也可以是一个记录；记录可以等长，也可不等长。各信息项之间具有顺序关系。2.6文件管理二、文件系统

1、文件系统的引入文件系统对文件统一管理，目的是方便用户且保证文件的安全可靠。2、文件系统的概念所谓文件系统，就是操作系统中实现文件统一管理的一组软件、被管理的文件以及为实施文件管理所需要的一些数据结构的总称。3、文件系统的功能

①统一管理文件存储空间（即外存），实施存储空间的分配与回收。

②确定文件信息的存放位置及存放形式。

③实现文件从名字空间到外存地址空间的映射，即实现文件的按名存取。

④有效实现对文件的各种控制操作和存取操作

⑤实现文件信息的共享，并且提供可靠的文件保密和保护措施。三、文件的结构1、文件的逻辑结构（1）流式文件

构成文件的基本单位是字符，流式文件是有序字符的集合，其长度为该文件所包含的字符个数，因此又称为字符流文件。流式文件无结构，管理简单，用户可以方便地对其进行操作。（2）记录式文件

构成文件的基本单位是记录，记录式文件是一组有序记录的集合。记录是一个具有特定意义的信息单位。记录式文件可分为定长记录文件和变长记录文件两种。2、文件的物理结构（1）顺序结构（2）链接结构（3）索引结构（4）Hash结构（5）索引顺序结构四、文件的存取方式1、顺序存取

顺序存取就是按从前到后的次序依次访问文件的各个信息项，对记录式文件，是按记录的排列顺序来存取。2、随机存取

又称直接存取，即允许用户根据记录键存取文件的任一记录，或者是根据存取命令把读写指针移到指定处读写。五、文件目录为便于对文件的管理，做到“按名存取”，设置了文件目录，用检索计算机系统中的所有文件。1、文件控制块FCB

文件控制块FCB是系统为管理文件而设置的一个数据结构。

FCB是文件存在的标志，记录了系统管理文件所需要的全部信息。2、文件目录与目录文件（1）文件目录文件与文件控制块是一一对应的。文件控制块的有序集合构成文件目录，每个目录项即是一个文件控制块。给定一个文件名，通过查找文件目录便可找到该文件对应的目录项（即FCB）。

（2）目录文件将文件目录以文件的形式保存在外存空间，