操作系统讲义 01 第一章 操作系统教程概论(1.1操作系统概观)学习资料

计算机专业课程河海大学计算机与信息学院操作系统教程姓名：张鹏程邮箱：pchzhang@勤学楼4515课程要求C语言、汇编语言、数据结构、计算机组成原理等平时成绩+考试成绩(30%vs70%)平时成绩：到课率+作业平时答疑时间：周一、周二下午5点前（无特殊事情都在）1.1 操作系统概观1.1.1操作系统的定义和目标1.1.2操作系统的资源管理技术1.1.3操作系统的作用与功能1.1.3操作系统的主要特性1.1.1操作系统的定义和目标给操作系统下定义是困难的，至今没有一个能公认的统一说法以下列举了现今操作系统教材中常见的几种观察操作系统的角度定义(续)自顶向下的角度，操作系统是裸机上的第一层软件，是对机器的第一次扩展，为用户提供了一台与实际硬件等价的虚拟机

自底向上的角度，操作系统是资源管理，在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配定义(续)从软件分类角度看，操作系统是最基本的系统软件，它控制着计算机所有的资源并提供应用程序开发的接口从系统管理员角度看，操作系统合理地组织管理了计算机系统的工作流程，使之能为多个用户提供安全高效的计算机资源共享从程序员角度看（即从操作系统产生的角度），操作系统是将程序员从复杂的硬件控制中解脱出来，并为软件开发者提供了一个虚拟机，从而能更方便的进行程序设计定义(续)从一般用户角度看，操作系统为他们提供了一个良好的交互界面，使得他们不必了解有关硬件和系统软件的细节，就能方便地使用计算机从硬件设计者看，操作系统为计算机系统功能扩展提供了支撑平台，使硬件系统与应用软件产生了相对独立性，可以在一定范围内对硬件模块进行升级和添加新硬件，而不会影响原先应用软件本书观点：

操作系统（OperatingSystem，简称OS）是管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务、合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件其他观点：操作系统：是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合

定义(续)方便用户使用OS提供了用户与计算机硬件之间的友善接口OS向用户提供的应用接口要远远地简单于硬件向用户提供的接口若只有硬件，则用户使用不便扩充机器功能OS作为软件赋予了计算机系统以比计算机硬件更强大的功能没有OS，只有硬件的计算机难以展现出强大的功能配置操作系统的目标配置操作系统的目标（续）管理各类资源OS代替人来管理计算机系统软硬件资源。慢速的人工操作管理高速的系统硬件资源及庞大的软件资源将会耗费大量的时间且极易出错，甚至难以实现这种管理提高系统效率OS代替人实现了对计算机的自动化管理构筑开放环境开放环境的含义：遵循有关国际标准；支持体系结构的可伸缩性和可扩展性；支持应用程序在不同平台上的可移植性和可互操作性

计算机系统硬件：包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备等基本部分软件：包括系统软件和应用软件，操作系统是最重要的系统软件操作系统在计算机系统中的位置计算机系统可看作一个层式结构：…用户1用户2用户3用户4用户n财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算（应用程序）编译程序汇编程序编辑程序数据库（系统程序）操作系统计算机硬件……操作系统在计算机系统中的位置(续)计算机硬件层操作系统赖以工作的基础，也是操作系统设计者可以使用的功能和资源

操作系统层对硬件作扩充和改造，提供了操作系统接口，为编译程序、编辑程序、数据库系统等的设计者提供有力支撑。操作系统还要做资源的调度和分配，信息的存取和保护，并发活动的协调和控制等许多工作

操作系统在计算机系统中的位置(续)操作系统在计算机系统中的位置(续)系统程序层建立在操作系统改造和扩充过的机器上，提供扩展指令集，实现各种语言处理程序、数据库管理系统和其他系统程序。提供种类繁多的实用程序，如链接装配程序、库管理程序、诊断排错程序、分类/合并程序等供用户使用操作系统在计算机系统中的位置(续)应用程序层解决用户不同的应用问题，应用程序开发者借助程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用程序，操作系统和硬件组成了一个运行平台，其他软件都运行在这个平台上1.1.2操作系统的资源管理技术1.资源管理

2.操作系统中的基础抽象---进程、虚存和文件3.虚拟计算机1.资源管理操作系统的主要任务之一就是对资源进行管理物理资源有限物理资源在硬件实现上的复杂性操作系统将物理计算机的功能加以扩展，使之成为接口好、功能强、效率高、易使用的计算机系统，称为虚拟机在虚拟机上运行的程序称为进程资源管理的主要技术资源复用资源虚化资源抽象组合使用抽象和虚化技术资源复用多道程序设计技术计算机系统的物理资源宝贵并且稀有系统内有多个进程竞争使用资源操作系统让众多进程共享有限的物理资源称为资源复用空分复用共享时分复用共享空分复用共享空分复用共享资源可以进一步分割成更多和更小的单位供进程使用例子主存辅助存储器时分复用共享时分复用共享资源不能进一步分割成更多和更小的单位供进程使用进程可以在一个时间片内以独占方式使用整个物理资源例子处理器磁带机资源复用小结进程能够空分复用主存资源进入主存进程可以时分复用处理器以执行代码共享硬件的技术称为多道程序设计资源虚化虚化（虚拟性）：一种有效的资源管理技术本质是对资源进行转化、模拟或整合把一个物理资源转变为逻辑上的多个对应物虚化和空分复用比较空分复用所分割的是实际存在的物理资源虚化则实现假想的虚拟同类资源虚化技术可以解决某类物理资源数量不足的难题虚化技术能够为应用程序提供更易于使用、高效的虚拟资源，并创建更好的运行环境资源虚化（续）若干虚化例子基于物理内存的虚拟内存虚化外部设备（SPOOLing技术）虚拟文件系统窗口技术信道多路复用技术资源抽象资源复用和资源虚化的主要目标是解决物理资源数量不足的问题资源抽象则用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性指通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和接口细节简化对硬件资源的操作、控制和使用不考虑物理细节对资源执行操作资源抽象（续）例子面向进程而不是面向处理器面向文件而不是面向硬盘面向窗口而不是面向屏幕面向虚拟机而不是物理计算机资源抽象（续）从某个物理设备输出一组字符首先了解其硬件接口：控制、状态和数据寄存器反复读取其状态寄存器了解设备的状态至设备准备好则写入数据寄存器发出“输出”命令至控制寄存器进行控制输出资源抽象（续）使用资源抽象技术实现一个设备驱动程序（隐蔽物理设备细节）再定义一个标准化的软件接口（即系统调用）应用程序就不必关心设备物理细节资源抽象（续）资源抽象技术也可用于定义和构造多层软件以磁盘设备为例把信息块从主存写入磁盘需要执行下列及其指令：Load(block,length,device)Seek(device,track)Out(device,sector)一个简单的抽象，系统调用write()Voidwrite(char*block,intlength,intdevice,inttrack,intsector)一个更高层次的抽象intfprint(fileID,“%s”,datum)资源抽象（续）数据输入/输出也依赖于多层抽象使用文件类系统调用来使用文件执行I/O操作时文件类系统调用外部设备的抽象（设备驱动程序）组合使用资源抽象和虚化技术对于某一类资源，往往同时实施抽象和虚化技术打印机既配置打印函数（设备驱动程序）又实施SPOOLing技术显示器既提供输出函数又使用窗口软件2.操作系统中的基础抽象计算机系统的物理资源分为：计算类处理器主存存储接口类辅助存储器外部设备操作系统中的基础抽象（续）为了方便对资源的管理和使用进程抽象虚存抽象文件抽象其他资源抽象进程抽象进程：是对于进入主存的当前运行程序在处理器上操作的状态集的一个抽象理论上每个进程都是独立执行的单元，运行时至少需要处理器和主存实际上，若干进程时分或空分复用这些资源虚存抽象物理内存被抽象成虚拟主存，每个进程独占一个硕大的虚存空间虚存通过对主存和磁盘的管理来实现进程的虚拟主存中的内容存储在磁盘上主存作为磁盘的高速缓存文件抽象为了方便对磁盘、磁带、光盘等存储设备的使用，通常将其抽象使得所存放的信息可以表示为一个命名的逻辑字节流-----文件文件是磁盘等设备的抽象文件抽象对于信息的存储、检索、更新、共享和保护带来很多好处文件抽象（续）文件抽象也是操作系统对磁盘设备进行多层次抽象的结果第一层抽象：从磁盘到分区第二层抽象：从分区到扇区第三层抽象：从扇区到簇第四层抽象：从簇到文件系统分区簇序列被分为：超级块、inode区和数据区基础抽象小结操作系统担负两项基本任务防止硬件资源被失控的应用程序滥用屏蔽复杂的硬件操作细节设备主存处理器文件抽象

虚存抽象

进程抽象

图1.2操作系统的基础抽象其他抽象操作系统对其他低层硬件资源也进行抽象如中断时钟网络接口一些没有特定基础硬件的软件资源也可被抽象消息信号量共享数据结构3.虚拟计算机虚拟计算机是一台抽象计算机，是配备了现代操作系统的计算机对于用户来说一台以操作系统语言（系统调用）为机器语言的操作系统虚拟机对于安装了c语言的计算机，就是一台以c为机器语言的虚拟机配备了网络操作系统后则为用户提供了可互相通信的一组虚拟机配置了分布式操作系统则为用户提供了一台具有分布计算能力的虚拟机虚处理器虚存虚辅存虚设备虚拟机进程P1虚处理器虚存虚辅存虚设备虚拟机进程Pn操作系统资源管理（复用、虚化、抽象）处理器物理计算机I/O设备I/O设备主存辅助存储器图1.3物理计算机仿真成虚拟计算机虚拟计算机（续）虚处理器虚拟主存虚拟辅存虚拟设备虚处理器对于用户而言，虚处理器和物理处理器能力相同虚处理器的特点虚处理器没有中断每个进程都有自己的虚处理器虚处理器为进程提供功能强大的指令系统实现虚处理器的技术时分复用调度切换虚拟主存虚拟主存让进程在获取和使用主存时感觉像拥有整个计算机的主存虚存避免了内存和磁盘之间来回复制进程地址空间对于程序员来说无需考虑物理主存的大小虚拟辅存辅存为信息提供持久性存储采用空分复用方法一部分空间用作主存的扩充一部分空间用作存放文件有的系统提供多个虚拟盘虚拟设备SPOOLing系统提供虚拟打印机文件系统提供虚拟读入机分时用户的终端则提供虚拟机操作员操作系统的作用主要表现在三个方面：

1、操作系统作为用户接口和服务提供者2、操作系统作为扩展及或虚拟机3、操作系统作为资源的管理者和控制者1.1.3操作系统的作用与功能1、操作系统作为用户接口和服务提供者用户对计算机系统的需求和现有硬件功能之间存在巨大差距从内部看，操作系统对计算机硬件进行改造和扩充，为应用程序提供支持原语系统调用从外部看，操作系统提供友好的人机接口，使用户能够方便、安全、高效地使用硬件操作系统还能够合理地组织计算机的工作流程，协调各个机器部件有效地工作操作系统的作用(续)操作系统的作用(续)2、OS作为扩展机或虚拟机OS作为软件覆盖在裸机硬件上，将硬件的复杂性与用户隔离开来。软件赋予了计算机以强大的功能，这种强大的功能不是计算机硬件本身直接具有的，离开了软件的支持，这种功能将不复存在（是虚的）

虚拟计算机：计算机上覆盖了操作系统后，可以扩展基本功能，为用户提供了一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性好，效率明显提高的机器，称为虚拟计算机，或操作系统虚拟计算机操作系统的作用(续)3、操作系统作为资源的管理者和控制者在操作系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源资源包括两大类：硬件资源和信息资源硬件资源主要包括：处理器、存储器、I/O设备等信息资源主要包括：程序和数据等操作系统课程内容的体系结构正是从操作系统是计算机系统资源管理者的角度来组织和构建的操作系统的作用(续)操作系统作为资源的管理者和控制者（续）为了使应用程序能够正常运转，操作系统必须对其分配足够的资源为了提高效率，操作系统必须支持多道程序设计合理调度和分配各种资源，充分发挥并行部件的性能，使各种部件和设备最大限度地执行操作和保持忙碌操作系统的作用(续)操作系统既是“管理员”，又是“服务员”对内作为“管理员”，做好计算机系统软硬件资源的管理、控制与调度，提高系统效率和资源利用率对外作为“服务员”，是用户和硬件之间的接口和人机界面，为用户提供尽可能友善的运行环境和最佳服务处理机管理存储管理设备管理文件管理网络与通信管理用户接口操作系统的功能操作系统的功能(续)处理器管理：处理器管理有两个主要工作处理中断事件(P68)处理器调度(P118)操作系统的功能(续)具体包括：进程控制和管理(P103)进程同步和互斥(P173)进程通信和死锁(P190)线程控制和管理(P106)处理器（进程）调度(P119)高级（作业）调度中级（中程）调度低级（进程）调度操作系统的功能(续)操作系统对处理器的管理策略不同形成了不同的处理方式批处理方式分时处理方式实时处理方式存储管理：存储管理具有四大功能：

存储分配存储共享地址转换与存储保护存储扩充

操作系统的功能(续)操作系统的功能(续)设备管理：设备管理具有以下功能：

提供设备中断处理

提供缓冲区管理提供设备独立性，实现逻辑设备到物理设备之间的映射外围设备的分配与回收实现共享型设备的驱动调度

实现虚拟设备文件管理：文件管理要完成以下任务：

提供文件逻辑组织方法提供文件物理组织方法提供文件的存取方法提供文件的使用方法实现文件的目录管理实现文件的共享和安全性控制实现文件的存储空间管理操作系统的功能(续)网络与通信管理：联网操作系统应具有以下管理功能：网上资源管理功能数据通信管理功能网络管理功能，包括:故障管理安全管理性能管理记帐管理配置管理操作系统的功能(续)操作系统的功能(续)用户接口：操作系统向用户提供的一组使用其功能的手段，包括两大类：程序接口操作接口1.1.4

操作系统的主要特性操作系统主要有四个基本特征：

并发性共享性异步性虚拟性并发性（Concurrence）指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生并行性（parallelism）指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生

并发性

并发性(续)操作系统的并发性指计算机系统中同时存在若干个运行着的程序（包括操作系统程序和用户程序），这些程序交替、穿插地执行发挥并发性能够消除系统中部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐量，提高系统效率并发性(续)利用并发技术可以使多个I/O设备同时输入输出，也可使设备I/O与CPU的计算同时进行并发的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU)在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率在多处理器系统中，程序的并发性不仅体现在宏观上，而且体现在微观上，这称为并行在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行并行的事件或活动一定是并发的，并发的事件或活动未必是并行的，并行性是并发性的特例，并发性是并行性的扩展并发技术的关键在于如何对系统中多个运行程序（进程）进行切换并发性(续)并发性(续)并发虽然可以改善系统效率但也带来一系列问题：怎样从一个程序切换到另一个程序以什么样的策略来选择下一个运行的程序如何将各个运行的程序隔离开来怎样让多个运行程序互通消息和协作完成任务怎样协调多个运行程序对资源的竞争多个运行程序共享文件数据时，如何保证数据的一致性引入“进程”概念实现并发性

进程能清晰刻划操作系统中的并发性，实现并发活动的执行，因而，它已成为现代操作系统的一个重要基础共