第3章操作系统.ppt

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第3章操作系统OperatingSystem,计算机系统由“谁”来控制、指挥？

提出问题,3.1操作系统的概念,操作系统（OperatingSystem，OS）是一组控制和管理计算机软、硬件资源、为用户提供便捷使用计算机的程序的集合。

OS是硬件与其他软件系统的接口；OS是用户和计算机之间进行“交流”的界面（窗口）。

为什么要有操作系统？

从用户角度来看，计算机系统应该是一个稳定的、对用户友好、便于操作的平台。

但是，实际上用户对硬件直接进行操作是极其困难、甚至是不可能的。

怎么办？

用户面对的是一个整体的计算机系统，分为虚拟机和物理机两个部分。

用户实际操作的是虚拟机，物理机是由OS管理和操作的。

优点：

将复杂的物理操作剥离并下移，交给OS去处理。

3.2操作系统的发展过程,人工操作方式脱机输入/输出方式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系统,3.3操作系统的主要功能,处理机管理存储器管理设备管理文件管理用户接口,处理机管理,文件管理,存储管理,设备管理,操作系统,处理机管理,在多任务程序环境下，处理机的分配和运行是以进程为基本单位的。

进程控制进程同步进程通信进程调度,程序的特性,假设一个程序分为三个程序段；输入（I）、计算（C）和输出（P）。

显然，在单道程序处理系统中，因为程序独占全部系统资源，它们将按ICP的顺序执行，即只有输入了信息才能进行计算，只有计算产生了结果才能输出。

这种方式被称为程序的顺序执行。

程序顺序执行具有3个特征：

顺序性。

程序所有操作按规定的顺序执行；封闭性。

程序在执行过程中独享系统资源，不受外界因素的干扰和影响；可再现性。

程序执行的结果与其执行速度无关。

只要初始条件相同，则程序重复执行时，无论是不间断地执行，还是“断断续续”地执行，结果是相同的。

例如，两个整数（A和B）相加的运算。

多道程序的特性,在多道程序系统中，由于受资源的制约，每个程序处理过程的行为和状态是不确定的。

C1和I2在T1时刻、P1、C2和I3在T2时刻、P2和C3在T3时刻都是并发执行的。

由此产生资源竞争和相互制约问题。

在多道程序环境下，由于资源竞争和制约，使程序失去了固有的特性：

封闭性、可再现性。

进程的概念,进程具有以下6个基本特性：

动态性。

进程是“活着”的程序，它具有生命周期，表现在它由“创建”而产生，由“调度”而执行，因得不到资源而“暂停”，最后由“撤消”而消亡。

并发性。

同时执行。

独立性。

进程是一个独立运行、资源分配和调度的基本单位。

异步性。

不同进程均具有各自的运行“轨迹”。

进程具有“执行暂停执行”这样走走停停的活动规律。

结构特征。

为便于管理，系统为每个进程创建一套数据结构，记录该进程有关的状态信息。

制约性。

由于系统资源受限，多个进程在并发执行过程中相互制约。

进程的状态,进程在其生存周期内，其执行过程是间断性的，因此进程状态是不断变化。

就绪状态。

进程已经获得了除CPU之外所需资源，一旦得到CPU，就可以立即执行。

运行状态。

进程获得了CPU及其它一切所需资源，正在运行。

等待状态。

由于某种资源得不到满足，进程运行受阻，处于暂停状态，等待分配到所需资源后，再投入运行。

进程与程序的区别,静和动。

程序是“静止”的，它描述的是静态的指令集合及相关的数据结构；进程是“活动”的，它描述程序执行起来的动态行为。

程序可以脱离机器长期保存。

而进程是执行着的程序，当程序执行完毕，进程也就不存在了。

进程的生命是暂时的。

程序不具有并发特征，不会受到其他程序的制约和影响。

进程具有并发性，因此受到其他进程的制约和影响（争夺资源）。

进程与程序不一一对应。

一个程序多次执行，可以产生多个不同的进程；一个进程也可以对应多个程序。

进程控制,进程控制的主要任务是调度和管理进程从“创生”到“消亡”整个生存周期过程中的所有活动，包括创建进程、转变进程的状态、执行进程、撤消进程等操作。

如何控制进程？

通过怎样的机制实现控制？

进程的组成进程控制块及其作用,进程的组成,进程由三部分组成：

程序块。

就是程序本身，用于描述进程所要完成的操作；数据集合。

它包括进程执行时所需要的数据集和工作区；进程控制块PCB（ProcessControlBlock）。

PCB用于记录进程的各种信息，反映进程动态特性的变化。

PCB是进程控制的核心机制（数据表格），OS就是通过PCB实现对进程的控制和管理的。

进程控制块及其作用,每当系统创建一个进程时，即自动创建一个PCB。

PCB中包含的主要信息有：

PCB的作用使程序在多道程序环境下成为一个能独立运行的基本单位，并能与其他进程并发执行。

进程调度,进程调度程序的功能：

记录所有进程的情况。

包括进程名、进程状态、进程优先级和进程资源需求等信息，将这些信息记录在它们的PCB中。

根据调度策略分配CPU。

确定将CPU分配给就绪队列中的某个进程。

分配、回收CPU。

根据当前进程的状态，对CPU进行调度、分配。

进程调度方式,进程调度方式分为两种：

非剥夺式调度是让正在执行的进程继续执行，直到该进程完成或发生其它事件，才移交CPU控制权。

剥夺式调度是当“重要”的或“系统”的进程出现时，便立即暂停正在执行的进程，将CPU控制权分配给“重要”的或“系统”的进程。

进程调度算法,选择调度算法要考虑的因素：

提高资源利用率，较少CPU空闲时间；对一般程序采用较合理的平均响应时间；应避免有的程序长期得不到响应。

常见的进程调度算法有：

先到先服务短进程优先优先级高优先时间片轮转法,将CPU划分为很小的时间片，采用循环轮作方式将这些CPU时间片分配给排队队列中等待处理的每个程序的处理方式。

（2）存储器管理,主要任务是对内存进行分配、保护和扩充。

内存分配：

按分配策略和算法分配主存空间内存保护：

保护各类程序（系统的、用户的、应用程序的）及数据区免遭破坏内存扩充：

解决在小的存储空间中运行大程序的问题，即虚拟存储问题。

虚拟存储器技术,它的基本思想是：

把部分外存空间作为主存使用，以此为用户提供足够大的地址空间虚存空间。

用户可以在这个地址空间内编程，而完全不考虑主存的大小。

虚拟存储器技术实际上是采用内、外存结合的办法实现的。

硬件负责虚实地址的转换；软件负责实存（主存）和虚存（外存）之间的信息调度管理。

（3）设备管理,按照硬件设备类型制定分配和使用设备的策略，最大程度地实现并行操作负责控制和操纵所有I/O设备；实现不同类型的I/O设备之间、I/O设备与CPU之间、I/O设备与通道和I/O设备与控制器之间的数据传输，使它们能协调地工作；为用户提供高效、便捷的I/O操作服务。

目的：

方便用户操作。

提高设备利用率和处理效率。

设备独立于用户程序。

（4）文件管理,文件与文件系统文件。

特指存放于计算机中、具有唯一文件名的一组相关信息的集合。

文件系统。

顾名思义是管理和操作文件的系统。

与人工管理文件系统一样，它要解决文件的组织管理（分类编目），在此基础上实现文件操作。

文件系统功能。

从OS管理资源的角度看，文件系统应具有以下功能：

解决如何组织和管理文件。

实现文件的“按名存取”操作机制。

提供文件共享功能及保护措施。

实现用户要求的各种操作。

包括文件的创建、修改、复制、删除等。

文件FILE存于计算机中且具有唯一名字的一组相关信息的集合。

计算机中的所有信息、包括各种不同类型的程序都是以文件的形式存放的。

对计算机的操作，实际上是对文件的操作。

文件系统FILESYSTEM以某种方式在外存中组织的文件集合，及实现对文件集合进行管理的操作机制。

简单地说：

文件系统是专用于组织、管理、操作文件的应用系统。

文件系统可实现对文件的“按名操作”。

文件分类,按用途分类：

系统文件是由系统软件构成的文件。

用户文件是用户委托文件系统保存的文件。

库文件指系统提供给用户使用的各种标准过程、函数和应用程序等构成的文件。

按操作权限分类：

只读文件指允许对文件读，但不能写的文件。

读写文件指既能读，又能写的文件。

执行文件指可以执行，但不允许进行读写操作的文件。

按文件中数据形式分类：

文本文件通常是由ASCII字符或汉字组成的文件。

可执行文件是计算机系统可以直接识别并执行的文件。

按信息流向分类：

输入文件是指通过输入设备向主存中输入数据的文件。

输出文件是指通过输出设备从主存向外输出的文件。

文件管理即实现对文件的各种操作。

包括：

文件的建立、修改、打开、关闭、复制、删除等等,文件目录结构,为了实现对文件的有效管理，要对它们进行周密的组织。

采用树形文件目录结构是最常用的一种文件组织形式。

文件系统的目录结构的作用与图书中目录的作用完全相同，实现快速检索。

同时，对文件目录管理还要求具有：

按名存取快速检索通过合理地组织目录结构，实现快速检索。

文件共享允许多个用户共享一个文件。

允许文件重名允许不同用户按自己的习惯和实际需要命名文件。

文件共享与文件保护,文件共享多个用户同时使用一个文件现代文件共享方法，就是解决在一个文件副本的情况下多用户共享的技术和方法。

不同的是，共享的范围不断扩大，从单机系统、多机系统、局域网系统，到现在的互联网范围中的文件共享。

文件保护实际上有两层含义：

文件保护和文件保密；文件保护是指避免因有意或无意的误操作使文件受到破坏；文件保密是指未经授权不能访问文件。

（5）用户接口,两种接口命令接口程序接口,3.4操作系统的特征,1并发性。

可以同时执行多个程序。

2共享性。

多个并发执行的程序可以共同使用系统的资源。

3虚拟性。

是把逻辑部件和物理实体有机结合为一体的处理技术。

通过虚拟技术，可以实现虚拟处理器、虚拟存储器、虚拟设备等。

4不确定性。

由于系统共享资源有限，并发程序的执行受到一定的制约和影响。

3.5典型操作系统简介,1MS-DOS是美国Microsoft公司为16位字长计算机开发的、基于字符（命令行）方式的单用户、单任务的个人计算机OS。

2WINDOWS是Microsoft开发的一个多任务的OS，它采用图形窗口界面，使用户对计算机的各种复杂操作只需通过点击鼠标即可轻松地实现。

3UNIX是通用、交互式、多用户、多任务应用领域的主流OS之一，是被业界公认的工业化标准的OS。

UNIX也是目前惟一能在各种类型计算机的各种硬件平台上稳定运行的OS。

4.Linux是20世纪90年代推出的一个多用户、多任务的OS。

它与UNIX完全兼容，具有UNIX最新的全部功能和特性。

Linux的设计是为了在Intel微处理器上更有效的运行。

它的最大特点在于它是一个源代码公开的免费OS，其内核源代码可以免费传播。

国产LinuxOS,红旗Linux是由中科院软件所和方正公司联合研制。

V4.0产品定位是面向办公、上网、教育以及娱乐等需求的桌面普及型OS。

中软Linux中软公司研发的Linux2.0具有多种优秀特性，既适合于日常办公又满足家庭娱乐的需求。

TurboLinux是国内最早发行的中文Linux版本之一。

在高端应用和服务器市场，TurboLinux的服务器版和群集服务器版具有相当大的优势。

XteamLinux是冲浪平台公司的产品。

其最新研发的Lindows简化了Linux复杂的安装过程，可以从Windows9.x直接进入到Linux。

BluePointLinux由深圳信科思公司开发。

在中文化方面独树一帜，在国内率先推出真正内核汉化的中文LinuxBluePoint1.0。