第六章操作系統(tǒng)原理

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1、第六章 操作系統(tǒng)原理 第一節(jié) 操作系統(tǒng)概論 一、什么是操作系統(tǒng) 沒有軟件的計算機稱為裸機，用戶很難使用。 操作系統(tǒng)（OS）：加在硬件基礎(chǔ)上的第一層軟件。組織、控制和管理計算機系統(tǒng)的各類資源的程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合。是用戶（應(yīng)用程序）與計算機硬件之間的接口。 二、操作系統(tǒng)的目標(biāo) 1、方便性：使計算機易學(xué)易用、共享資源 2、有效性：提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量 3、可擴充性：能適應(yīng)硬件的發(fā)展，容易升級 4、開放性：使應(yīng)用程序具備可移植性和互操作性 第二節(jié) 操作系統(tǒng)的發(fā)展 一、發(fā)展過程 （1）、無操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)（1945—1955）

2、 計算機操作是由用戶采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統(tǒng)，即由程序員將事先已穿孔(對應(yīng)于程序和數(shù)據(jù))的紙帶(或卡片)裝入紙帶輸入機(或卡片輸入機)，再啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機， 然后啟動計算機運行。當(dāng)程序運行完畢并取走計算結(jié)果后， 才讓下一個用戶上機。 特點: 1、 用戶獨占全機 2、 CPU等待人工操作 3、 獨占性 4、 串行性 缺點: 1、計算機的有效機時嚴重浪費 2、效率低 （2）、批處理系統(tǒng) （1955-1965） 1、單道批處理系統(tǒng) 批處理：是指計算機系統(tǒng)對一批作業(yè)自動進行處理的一種技術(shù)。 作業(yè)：是用戶一次請求計算機系統(tǒng)為其完

3、成任務(wù)所進行的工作總和，由若干個作業(yè)步組成。 單道批處理在內(nèi)存中僅有一道作業(yè)。 單道批處理系統(tǒng)的特征 A 、自動性 B 、順序性  C 、單道性 2、 多道批處理系統(tǒng) 多道程序設(shè)計的基本概念 在計算機內(nèi)存中同時存放若干道程序，交替運行，當(dāng)前程序如因某種原因不能繼續(xù)運行，將另一道投入運行，從而使處理機得到充分利用。 多道程序設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)依賴于通道技術(shù)、中斷技術(shù)和緩沖技術(shù)。 多道批處理系統(tǒng)的特點 A、多道，資源利用率高 B、系統(tǒng)吞吐量大 C、可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率

4、 D、平均周轉(zhuǎn)時間長 E、無交互能力。 （3）、分時系統(tǒng)（1965-1980） 1. 分時的概念 指多個用戶分時使用CUP的時間，CPU的時間分成若干段，叫時間片，輪流分配給用戶使用。一般時間片限短0.2S，用戶請求響應(yīng)時間2-3S，用戶好像獨占了CPU。 2.分時操作系統(tǒng)工作方式 一臺主機連接了若干個終端 每個終端有一個用戶在使用 交互式的向系統(tǒng)提出命令請求 系統(tǒng)接受每個用戶的命令 采用時間片輪轉(zhuǎn)方式處理服務(wù)請求 并通過交互方式在終端上向用戶顯示結(jié)果 用戶根據(jù)上步結(jié)果發(fā)出下道命令 3.分時操作系統(tǒng)特點 A、多路性：同時有多個用戶使用一臺計算機。

5、 宏觀上：是多個人同時使用一個CPU； 微觀上：多個人在不同時刻輪流使用。 B、交互性： 用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進一步提出新請求 C、“獨占”性：用戶感覺不到計算機為其他人服務(wù) D、及時性：系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應(yīng) （4）、 實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)(Real-Time System)是用戶請求的操作必須在規(guī)定的時間內(nèi)進行處理并加以響應(yīng)。如股票交易系統(tǒng)。 特點： 1、實時系統(tǒng)的程序是預(yù)先編好的，用戶不能更改。 2、及時性要求高，系統(tǒng)可靠性高。 實時操作系統(tǒng)的分類 1、實時控制系統(tǒng)：生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，又稱計算機控制系統(tǒng)。 如：鋼鐵冶煉和鋼板軋制的

6、自動控制、煉油、化工生產(chǎn)過程的自動控制,軍事控制等。 2、實時信息處理系統(tǒng)：根據(jù)用戶提出的問題對信息進行檢索和處理，并在很短時間內(nèi)對用戶做出正確回答。例如：銀行，機票訂購系統(tǒng)、股市行情實時信息處理系統(tǒng)等。 二、發(fā)展方向 1. 多處理機操作系統(tǒng) 多處理機系統(tǒng)由多個獨立的處理機組成，每個處理機都能夠獨立執(zhí)行自己的程序。 處理機：CPU和內(nèi)存。 多處理機操作系統(tǒng)即并行計算機系統(tǒng)。在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)管理下，實現(xiàn)作業(yè)并行處理。 2. 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 使網(wǎng)絡(luò)上各計算機方便有效共享網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供所需的各種服務(wù)的軟件和有關(guān)通信協(xié)議程序的集合。 基本功能

7、： 數(shù)據(jù)通信 資源管理 網(wǎng)絡(luò)管理 提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 提供網(wǎng)絡(luò)接口 3. 分布式操作系統(tǒng) 分布式處理系統(tǒng)是指由多個分散的處理單元經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連接而形成的系統(tǒng)。是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的更高級的形式,它保持了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的全部功能。 網(wǎng)絡(luò)和分布式的區(qū)別: A 分布具有各個計算機間相互通訊,無主從關(guān)系;網(wǎng)絡(luò)有主從關(guān)系 B 分布式系統(tǒng)資源為所有用戶共享;而網(wǎng)絡(luò)有限制的共享 C 分布式系統(tǒng)中若干個計算機可相互協(xié)作共同完成一項任務(wù) 4.微型機(個人）操作系統(tǒng) 　　計算機在某一時間內(nèi)為單用戶服務(wù),其追求目標(biāo)是界面友好，使用 方便，豐富的應(yīng)用軟件。 A

8、、MS-DOS B、微機多任務(wù)操作系統(tǒng) 　 第三節(jié) 操作系統(tǒng)的特征 一、并發(fā)性（Concurrence） 1、并行與并發(fā)： 并行性： 是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生 并發(fā)性： 是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。宏觀上在一段時間內(nèi)有多道程序在同時運行。在微觀上，這些程序是在交替執(zhí)行的 。 二、共享性（Sharing） 系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。可分為兩種資源共享方式： 1、 互斥共享方式 在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問該資源，這個資源稱為臨界資源。 2、 同時訪問方式 宏觀上“同時”：允許在一段時間內(nèi)由多過進程同時對資源進行

9、訪問。 微觀上“輪流”（交替訪問）：對該資源進行訪問。 三、虛擬性（Virtual） 虛擬：是指通過某種技術(shù)把一個物理設(shè)備實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。 四、異步性（Asynchronism） 異步性：進程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進的，但結(jié)果要保證是固定的。 第四節(jié) 操作系統(tǒng)的主要功能 一、處理機管理 主要任務(wù)：是對處理機的分配和運行實施有效管理。對處理機管理， 可歸結(jié)為對進程的管理。 1 進程的概念 進程是具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的獨立單位。可以簡單地理解為“進程是程序的一次執(zhí)行”?！斑M程是可以和別的計算并

10、發(fā)執(zhí)行的計算”。 2、程序與進程之間的區(qū)別： ? 進程更能真實地描述并發(fā)，而程序不能 ? 進程是由程序和數(shù)據(jù)兩部分組成的 ? 進程有生命周期，有誕生有消亡，短暫的。而程序是相對長久的 ? 程序是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的 ? 一個程序可對應(yīng)多個進程，反之亦然 ? 進程具有創(chuàng)建其它進程的功能，而程序沒有 3、進程的分類： ? 系統(tǒng)進程：用于完成操作系統(tǒng)的各種功能的進程 ? 用戶進程：由用戶啟動的進程。 （系統(tǒng)進程優(yōu)先于用戶進程） 最基本的系統(tǒng)進程 這些進程是系統(tǒng)運行的基本條件，有了這些進程，系統(tǒng)才能正常運行。 ? 　　smss.exe 該進程調(diào)用對話管理子系統(tǒng)，負責(zé)

11、啟動用戶會話。 ? 　　csrss.exe 子系統(tǒng)服務(wù)器進程 ? 　　winlogon.exe 管理用戶登錄 ? 　　services.exe 包含很多系統(tǒng)服務(wù) ? 　　lsass.exe 　管理IP安全策略以及IP安全驅(qū)動程序。(系統(tǒng)服務(wù)) ? 　　svchost.exe 包含很多系統(tǒng)服務(wù) ? 　　SPOOLSV.EXE 將文件加載到內(nèi)存中以便遲后打印。(系統(tǒng)服務(wù)) ? 　　explorer.exe 資源管理器 4、進程的基本狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 進程的三種基本狀態(tài)： 運行狀態(tài)（Running）：也稱為執(zhí)行狀態(tài)，進程占有CPU，并在CPU上運行 就緒狀態(tài)（Read

12、y）：一個進程已經(jīng)具備運行條件，但由于無CPU時間分配暫時不能運行的狀態(tài)。 等待狀態(tài)（Blocked）：指進程因等待某種事件的發(fā)生而暫時不能運行的狀態(tài)。阻塞態(tài)、掛起態(tài)、封鎖態(tài)、凍結(jié)態(tài)、睡眠態(tài) （即使CPU空閑，該進程也不可運行） 狀態(tài)轉(zhuǎn)換：在進程運行過程中，由于進程自身進展情況及外界環(huán)境的變化，這三種基本狀態(tài)可以依據(jù)一定的條件相互轉(zhuǎn)換。 A 就緒→運行: 被調(diào)度程序選中 B 運行→就緒: 時間片運行完畢時,或有更高優(yōu)先級的進程出現(xiàn) C 運行→等待:由于某一條件不滿足，導(dǎo)致退出運行狀態(tài)，等待某事件發(fā)生 D 等待→就緒: 引起等待的條件被滿足，等待的事件發(fā)生了

13、5、進程控制塊（Process Control Block） 系統(tǒng)為了管理進程設(shè)置的一個專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用它來記錄進程 的外部特征，描述進程的運動變化過程。 PCB的內(nèi)容： 調(diào)度信息：進程名；進程的內(nèi)部標(biāo)識；用戶名；進程狀態(tài)；進程優(yōu)先級；… ... 現(xiàn)場信息：記錄了重要的寄存器；(虛)時鐘等內(nèi)容 程序、數(shù)據(jù)、進程控制塊被稱為進程實體或三要素。 6、進程的特征 A、并發(fā)性：任何進程都可以同其他進程一起向前推進。 B、動態(tài)性 進程對應(yīng)程序的執(zhí)行； 進程是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的； 進程在其生命周期內(nèi)，在三種基本狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。 C、獨立性：進程是CPU

14、調(diào)度的一個獨立單位 D、交互性：指進程在執(zhí)行過程中可能與其它進程產(chǎn)生直接或間接的關(guān)系 E、異步性：每個進程都與其相對獨立的不可預(yù)知的速度向前推進 F、結(jié)構(gòu)性：進程的組成：程序+數(shù)據(jù)+PCB 7、進程管理的主要功能 A、進程控制：進程控制的基本功能就是創(chuàng)建和撤消進程以及控制進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 B、進程同步：所謂進程同步是指系統(tǒng)對并發(fā)執(zhí)行的進程進行協(xié)調(diào)。最基本的進程同步方式是使諸進程以互斥方式訪問臨界資源。 C、進程通信：對于相互合作的進程，在它們運行時，相互之間往往要交換一定的信息，這種進程間所進行的信息交換稱為進程通信。 D、進程調(diào)度：當(dāng)一個正在執(zhí)行的進程已經(jīng)完成，或因某事件而

15、無法繼續(xù)執(zhí)行時，系統(tǒng)應(yīng)進行進程調(diào)度，重新分配處理機。進程調(diào)度是指按一定算法，如最高優(yōu)先算法，從進程就緒隊列中選出一進程，把處理機分配給它，為該進程設(shè)置運行現(xiàn)場，并使之投入運行。 調(diào)度方式 可剝奪式（可搶占式Preemptive）： 當(dāng)有比正在運行的進程優(yōu)先級更高的進程就緒時，系統(tǒng)可強行剝奪 正在運行進程的CPU，提供給具有更高優(yōu)先級的進程使用 不可剝奪式（不可搶占式Nonpreemptive ）： 某一進程被調(diào)度運行后，除非由于它自身的原因不能運行，否則一 直運行下去 各種進程調(diào)度算法 先進先出進程調(diào)度算法（FIFO）：按照進程就緒的先后次序來調(diào)度進程

16、 優(yōu)點:實現(xiàn)簡單 缺點:沒考慮進程的優(yōu)先級 基于優(yōu)先數(shù)的調(diào)度（HPF—Highest Priority First）：優(yōu)先選擇就緒隊列中優(yōu)先級最高的進程投入運行優(yōu)先級根據(jù)優(yōu)先數(shù)來決定 時間片輪轉(zhuǎn)程序調(diào)度算法(RR—Round Robin) 把CPU劃分成若干時間片,并且按順序賦給就緒隊列中的每一個進程，進程輪流占有CPU，當(dāng)時間片用完時，即使進程未執(zhí)行完畢，系統(tǒng)也剝奪該進程的CPU，將該進程排在就緒隊列末尾。同時系統(tǒng)選擇另一個進程運行。 多隊列反饋調(diào)度算法：將就緒隊列分為N級，每個就緒隊列分配給不同的時間片，隊列級別越高，時間越長，級別越小，時間片越小，最后一級采用時間片

17、輪轉(zhuǎn)，其他隊列采用先進先出； 系統(tǒng)從第一級調(diào)度，當(dāng)?shù)谝患墳榭諘r，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向第二個隊列，.....當(dāng)運行進程用完一個時間片，放棄CPU時，進入下一級隊列；等待進程被喚醒時，進入原來的就緒隊列；當(dāng)進程第一次就緒時，進入第一級隊列 二、存儲管理 存儲器管理的主要任務(wù): ? 為多道程序的并發(fā)運行提供良好環(huán)境； ? 便于用戶使用存儲器； ? 提高存儲器的利用率； ? 為盡量多的用戶提供足夠大的存儲空間 存儲器管理的功能： ? 內(nèi)存分配：多道程序能并發(fā)執(zhí)行的首要條件是，各道程序都有自己的內(nèi)存空間，因此，為每道程序分配內(nèi)存是存儲器管理的最基本功能。 ? 內(nèi)存保護：

18、為保證各道程序都能在自己的內(nèi)存空間運行而互不干擾，要求每道程序在執(zhí)行時能隨時檢查對內(nèi)存的所有訪問是否合法。必須防止因一道程序的錯誤而擾亂了其它程序，尤其應(yīng)防止用戶程序侵犯操作系統(tǒng)的內(nèi)存區(qū)。 地址映射：在多道程序的系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)必須提供把程序地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間對應(yīng)的物理地址的功能。地址映射功能可使用戶不必過問物理存儲空間的分配細節(jié)，從而為用戶編程提供了方便。 內(nèi)存擴充：由于物理內(nèi)存的大小可能限制了大型作業(yè)或多個作業(yè)的并發(fā)執(zhí)行，為了滿足用戶的要求并改善系統(tǒng)性能，必須對內(nèi)存加以擴充。但我們無須去真正地增加內(nèi)存空間，而只須借助于虛擬存貯技術(shù)，便可獲得這樣地效果，使系統(tǒng)能運行內(nèi)存要

19、求量遠比物理內(nèi)存大得多得作業(yè)，或讓更多得作業(yè)并發(fā)執(zhí)行。 三、設(shè)備管理 1、設(shè)備管理的主要任務(wù): A、為用戶程序分配I/O設(shè)備； B、完成用戶程序請求的I/O操作； C、提高CPU和I/O設(shè)備的利用率； D、改善人機界面。 2、設(shè)備管理程序應(yīng)具有的功能 A、緩沖管理：幾乎所有的外圍設(shè)備于處理機交換信息時，都要利用緩沖來緩和CPU和I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾，和提高CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間操作的并行程度，以提高CPU和I/O設(shè)備的利用率。 B、設(shè)備分配：系統(tǒng)根據(jù)用戶所請求的設(shè)備類型和所采用的分配算法對設(shè)備進行分配，并將未獲得所需設(shè)備的進程放進相應(yīng)設(shè)備的等待隊列。 C、設(shè)

20、備處理：啟動指定的I/O設(shè)備，完成用戶規(guī)定的I/O操作，并對由設(shè)備發(fā)來的中斷請求進行及時響應(yīng)，根據(jù)中斷類型進行相應(yīng)的處理。 D、虛擬設(shè)備功能：通常，把一次僅允許一個進程使用的設(shè)備稱為獨占設(shè)備。系統(tǒng)可通過某種技術(shù)使該設(shè)備成為能被多個用戶共享的設(shè)備，以提高設(shè)備利用率及加速程序的執(zhí)行過程?？墒姑總€用戶都感覺到自己在獨占該設(shè)備。 四、文件管理 1、文件存儲空間管理：為新文件分配外存空間，收回釋放的文件空間 2、文件操作一般管理：文件的創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉等 3、目錄管理：實現(xiàn)文件的按名存取 4、文件讀寫管理和存取控制：保證信息安全，讀寫接口管理 5、方便用戶使用，提供用戶界面： 命令界面：用戶直接或間接地控制自己的作業(yè) 程序界面：用戶程序取得操作系統(tǒng)服務(wù)的唯一途徑 圖形界面：容易識別的各種圖標(biāo) 五、作業(yè)管理 1、作業(yè)調(diào)度：作業(yè)調(diào)度是指根據(jù)系統(tǒng)的能力和當(dāng)前作業(yè)的運行情況，按一定策略，從后備作業(yè)隊列中選出一批作業(yè)，為它們分配所需的I/O設(shè)備和存儲空間，將它們調(diào)入內(nèi)存并為之建立相應(yīng)的進程，使之成為具有獲得處理機資格的侯選進程。 2、作業(yè)控制：作業(yè)控制是指作業(yè)從進入系統(tǒng)開始，直到運行完成的整個過程中，用戶可通過某種形式向系統(tǒng)發(fā)出各種命令，以對自己的作業(yè)進行控制和管理。