操作系統(tǒng)第四版第一章課件

操作系統(tǒng)新世紀計算機類本科系列教材計算機操作系統(tǒng)湯小丹等編著西安電子科技大學出版社（第四版）目錄

第一章 操作系統(tǒng)引論第二章 進程的描述與控制第三章 處理機調(diào)度與死鎖第四章 存儲器管理第五章 虛擬存儲器第六章 輸入輸出系統(tǒng)第七章 文件管理第八章 磁盤存儲器的管理第九章 操作系統(tǒng)接口第十章 多處理機操作系統(tǒng)第十一章 多媒體操作系統(tǒng)第十二章 保護與安全第一章操作系統(tǒng)引論1.1操作系統(tǒng)的目標和作用1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.4操作系統(tǒng)的主要功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)(層次結(jié)構(gòu))軟件硬件及固件（裸機）應用軟件系統(tǒng)軟件編輯軟件，編譯軟件操作系統(tǒng)

硬件是計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)

軟件是提高計算機系統(tǒng)效率和方便用戶使用計算機的程序它們二者相互依賴、相互促進、共同發(fā)展操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位操作系統(tǒng)的地位：緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下（是其他軟件的共同環(huán)境）二、操作系統(tǒng)的作用

應用程序-----------------------虛機器界面

操作系統(tǒng)-----------------------物理機器界面

硬件假如沒有操作系統(tǒng)？怎樣將目標代碼送給硬件？怎樣輸出打印結(jié)果？人們將對二進制程序操作從發(fā)光二極管讀答案1.OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口

OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)

OS是一個系統(tǒng)軟件，因而這種接口是軟件接口2.OS作為計算機系統(tǒng)資源的管理者有效合理地分配資源，保護用戶不受侵犯提供安全、保密措施3.OS實現(xiàn)了對計算機資源的抽象

每當在計算機系統(tǒng)上覆蓋上一層軟件后，系統(tǒng)功能便增強一級圖1-1OS作為接口的示意圖

三、推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力

------“需求推動發(fā)展”1.不斷提高計算機資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展5.不斷提出新的應用需求1.2操作系統(tǒng)發(fā)展過程

操作系統(tǒng)發(fā)展是隨著計算機硬件技術(shù)、應用軟件的發(fā)展而發(fā)展的目標：充分利用硬件提供更好的服務

OS的形成已有50多年的時間一、未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)

1.人工操作方式

硬件非常昂貴，沒有操作系統(tǒng)。

用戶：既是程序員，又是操作員。用戶是計算機專業(yè)人員；

編程語言：機器語言；

輸入輸出：紙帶或卡片；工作特點：用戶獨占全機

CPU等待人工操作，程序通過卡片人工裝入、卸下一次完成一個功能（計算，I/O，用戶思考/反應）2.脫機輸入/輸出方式脫機輸入/輸出方式:增加外圍機負責控制程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出聯(lián)機輸入/輸出方式：所有工作交CPU監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)，常駐內(nèi)存脫機I/O方式的主要優(yōu)點如下：減少了CPU的空閑時間。(2)提高I/O速度。圖1-3脫機I/O示意圖二、單道批處理系統(tǒng)

1.單道批處理系統(tǒng)的處理過程

把一批作業(yè)以脫機輸入方式輸入到磁帶上，并在系統(tǒng)中配上監(jiān)督程序，控制這批作業(yè)一個接一個地連續(xù)處理。2.單道批處理系統(tǒng)的特征1.自動性2.順序性3.單道性圖1-5、1-6單道和多道程序運行情況

2.多道批處理系統(tǒng)的特征（1）多道性（2）無序性（3）調(diào)度性

作業(yè)從提交給系統(tǒng)開始直至完成，需要經(jīng)過兩次調(diào)度：

A、作業(yè)調(diào)度B、進程調(diào)度多道程序系統(tǒng)≠多重處理系統(tǒng)≠多用戶≠多終端3.多道批處理操作系統(tǒng)優(yōu)缺點優(yōu)點：*作業(yè)流程自動化；*資源利用率高，吞吐量大。

吞吐量：單位時間內(nèi)處理作業(yè)的個數(shù)缺點:*平均周轉(zhuǎn)時間長，短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間顯著增長；*無交互手段，調(diào)試程序困難。有效：系統(tǒng)效率，資源利用率（如：CPU利用的充足與否，內(nèi)存、外部設(shè)備是否忙碌）合理： 公平與否，如果不公平則會產(chǎn)生“死鎖”或“饑餓”方便： 用戶界面卡片早期批處理系統(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機卡片閱讀機輸出磁帶打印機2.分時系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題及時接收及時處理時間片：操作系統(tǒng)將CPU的時間劃分成若干個片段,稱為時間片操作系統(tǒng)以時間片為單位,輪流為每個終端用戶服務，每次服務一個時間片(其特點是利用人的錯覺，使人感覺不到)3.分時系統(tǒng)的特征多路性交互性“獨占”性及時性同時有多個用戶使用一臺計算機宏觀上：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CPU用戶根據(jù)系統(tǒng)響應結(jié)果進一步提出新請求(用戶直接干預每一步)用戶感覺不到計算機為其他人服務（OS提供虛機器，各個用戶的虛機器互不干擾）系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應五、實時系統(tǒng)實時：指計算機對于用戶請求能足夠快地進行處理，并做出反映。要求毫秒、微秒級。實時操作系統(tǒng)的應用：實時控制系統(tǒng)此類實時控制系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過程的自動控制，實驗數(shù)據(jù)自動采集，武器的控制、包括火炮自動控制、飛機自動駕駛、導彈的制導系統(tǒng)。實時信息處理系統(tǒng)這類系統(tǒng)主要用于實時信息處理，象飛機訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)。

實時系統(tǒng)與分時系統(tǒng)的比較（1）多路性（2）獨立性（3）及時性（4）交互性（5）可靠性*網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)a.計算機網(wǎng)絡(luò)

計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是互連起來的計算機的集合.b.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

是使網(wǎng)絡(luò)上各計算機能方便地進行網(wǎng)絡(luò)通信、有效地共享網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供所需各種服務的軟件和有關(guān)規(guī)程的集合。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)*分布式操作系統(tǒng)分布式計算機系統(tǒng)是為分散處理、協(xié)同完成任務而將多個分散的計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接而成的計算機系統(tǒng)，分布式操作系統(tǒng)是在它上配置的操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)是能直接對系統(tǒng)中各類資源進行動態(tài)分配和管理，有效控制和協(xié)調(diào)諸任務的并行執(zhí)行，允許系統(tǒng)中的處理單元無主、次之分，并向系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、有效的接口的軟件集合。分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的區(qū)別分布性處理上的分布性是分布式操作系統(tǒng)的最基本特征。網(wǎng)絡(luò)雖有分布處理的功能，但網(wǎng)絡(luò)的控制功能，則大多集中在某個主機或服務器上，它的控制方式集中的，分布式系統(tǒng)的處理分布是資源、功能、任務和控制都是分布的。透明性分布式操作系統(tǒng)負責全系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務劃分、信息傳輸協(xié)調(diào)工作，并為用戶提供一個統(tǒng)一的界面，標準的接口，用戶通過這一界面實現(xiàn)所需要的操作和使用系統(tǒng)資源。分布式OS通常很好地隱藏系統(tǒng)內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)，如對象的物理位置、并發(fā)控制、系統(tǒng)故障等對用戶都是透明的。分布式操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的區(qū)別統(tǒng)一性

分布式系統(tǒng)要求一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)操作的統(tǒng)一性，而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般是在各自操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上加上負責網(wǎng)絡(luò)訪問功能模塊，網(wǎng)絡(luò)各操作系統(tǒng)不一致。健壯性由于分布式系統(tǒng)的處理和控制功能是分布的，設(shè)備出現(xiàn)故障時，可通過容錯技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)，從而仍保持系統(tǒng)的正常運行，因而系統(tǒng)具有健壯性,即具有較好的可用性和可靠性。而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)其控制功能大多集中在主機和服務器中，使系統(tǒng)具有潛在的不可靠性。六、微機操作系統(tǒng)的發(fā)展單用戶單任務操作系統(tǒng)單用戶多任務操作系統(tǒng)多用戶多任務操作系統(tǒng)1.3操作系統(tǒng)的基本特征一、并發(fā)性(Concurrence)：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。具有此特性的程序稱并發(fā)程序。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間間隔內(nèi)宏觀上有多道程序同時運行，但在微觀上可能是交替或順序運行的。并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。具有此特性的程序稱并行程序。

并行執(zhí)行意即同時執(zhí)行并行是一種物理的、或微觀的同時性概念并發(fā)是一種邏輯的、或宏觀的同時性概念單處理機系統(tǒng)不能實現(xiàn)并行，但可實現(xiàn)并發(fā)多處理機系統(tǒng)既可實現(xiàn)并發(fā)，又可實現(xiàn)并行

進程是指在系統(tǒng)中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成的，是一個活動實體。在操作系統(tǒng)中引入進程的目的，是使多個程序能并發(fā)執(zhí)行。線程是比進程更小的單位，基本不擁有系統(tǒng)資源，因此對它調(diào)度所付出的開銷會小得多。進程和線程二、共享性(Ssaring)：是指操作系統(tǒng)與多個用戶程序共同使用計算機系統(tǒng)中的資源。資源共享方式

互斥共享：指某個資源在一段時間內(nèi)只允許一個作業(yè)使用，這種資源稱臨界資源。

同時共享：指某個資源在一段時間內(nèi)允許多個作業(yè)同時使用。但這里的同時的概念是宏觀的，微觀上則可能是交替地對資源進行訪問。并發(fā)和共享關(guān)系：

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個最基本的特性，它們又是互為存在條件。一方面資源共享是以程序（進程）的并發(fā)性執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題。另一方面若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效管理，則也必將影響到程序并發(fā)執(zhí)行。三、虛擬性（Virtual):

虛擬是指將一個物理的實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物。前者是實的后者是虛的，是一種感覺性存在，如虛存、虛網(wǎng)、虛設(shè)備、虛文件等。1)時分復用技術(shù)虛擬處理機技術(shù)虛擬設(shè)備技術(shù)2)空分復用技術(shù)虛擬磁盤技術(shù)虛擬存儲器技術(shù)四、異步性(Asynchronism):

多道程序環(huán)境下，進程以獨立的、不可預知的速度向前推進，即為異步運行方式。多個程序異步并發(fā)執(zhí)行帶來了二種不確定性：(1)每個程序（進程）執(zhí)行的速度和時間不確定，各程序（進程）之間推進的序列也不確定。即是不可預測的。(2)每個程序（進程）執(zhí)行結(jié)果不確定，即對同一程序，給定相同的初始條件、在相同的環(huán)境下進行多次執(zhí)行，卻可能獲得完全不同的結(jié)果，這也稱為程序并發(fā)執(zhí)行的不可再現(xiàn)性。

執(zhí)行結(jié)果的不確定性是絕對不允許的，這是操作系統(tǒng)為實現(xiàn)程序并發(fā)執(zhí)行必須解決的問題。1.4

操作系統(tǒng)的主要功能一、處理機管理功能

在多道程序環(huán)境下，處理機的分配和運行都是以進程為基本單位，因而對處理機的管理歸結(jié)為對進程的管理。（1）進程控制創(chuàng)建、撤消進程，進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過原語或系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)（2）進程同步協(xié)調(diào)進程間的關(guān)系互斥和同步同步機制如鎖、信號量（3）進程通訊進程間的信息交換直接通訊和間接通訊（4）調(diào)度調(diào)度作業(yè)和為進程分配處理機核心為調(diào)度算法二、存儲器管理功能（1）存儲分配為進程分配存儲空間

靜態(tài)分配和動態(tài)分配（2）存儲保護防止程序相互干擾硬、軟件結(jié)合實現(xiàn)（3）存儲共享多個作業(yè)共同使用同一存儲空間解決存儲空間不足（4）存儲擴充在不增加物理內(nèi)存的情況下向用戶提供海量存儲空間

三、設(shè)備管理功能任務：分配與回收設(shè)備驅(qū)動設(shè)備響應I/O請求目的：提高I/O設(shè)備利用率方便使用I/O設(shè)備（1）緩沖管理解決CPU與I/O速度不匹配緩沖機制：單緩沖、雙緩沖、緩沖池（2）設(shè)備分配分配設(shè)備（含通道、控制器）設(shè)備分配表（3）設(shè)備處理控制設(shè)備工作，處理中斷請求設(shè)備驅(qū)動程序四、文件管理功能（1）文件空間管理分配、回收文件空間（2）目錄管理目錄登記文件，實現(xiàn)文件按名存取，共享與保護（3）文件讀寫和存取控制實現(xiàn)對文件的具體訪問，防止文件被破壞

（4）設(shè)備獨立性和虛擬設(shè)備

設(shè)備獨立性（deviceindependence)

指應用程序獨立于物理設(shè)備，即用戶程序與物理設(shè)備無關(guān)

虛擬設(shè)備

將一個物理設(shè)備變換為多個與之對應的邏輯設(shè)備，供多個用戶共享

五、操作系統(tǒng)與用戶之間的接口（1）用戶接口聯(lián)機用戶接口

鍵盤命令脫機用戶接口圖形用戶接口

窗口菜單（2）程序接口

系統(tǒng)調(diào)用六、現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新功能1.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計1.無結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)2.模塊化OS結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.分層式OS結(jié)構(gòu)4.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)*操作系統(tǒng)的設(shè)計原則可維護性：

容易修改與否稱為可維護性；有三種可能的維護：

改錯性維護：改正已發(fā)現(xiàn)的錯誤；適應性維護：修改軟件，使之適應新的運行環(huán)境（硬件環(huán)境和軟件環(huán)境）；如：操作系統(tǒng)的移植。完善性維護：增加新功能；可靠性：可靠性包括兩方面：正確性：正確實現(xiàn)所要求的功能和性能；穩(wěn)健性：對意外（故障和誤操作）作出適當?shù)奶幚?；可理解性：易于理解，以方便測試、維護和交流；性能：有效地使用系統(tǒng)資源；盡可能快地響應用戶請求；1.模塊化OS結(jié)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)的特點：模塊由眾多服務過程（模塊接口）組成，可以隨意調(diào)用其他模塊中的服務過程。優(yōu)點：具有一定靈活性，在運行中的高效率缺點：(1)功能劃分和模塊接口難保正確和合理；(2)模塊之間的依賴關(guān)系（功能調(diào)用關(guān)系）復雜（調(diào)用深度和方向），降低了模塊之間的相對獨立性－－不利于修改

整個系統(tǒng)按功能進行設(shè)計和模塊劃分。系統(tǒng)是一個單一的、龐大的的軟件系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)思想來源于服務功能觀點，而不是資源管理的觀點。2.分層式OS結(jié)構(gòu)從資源管理觀點出發(fā)，劃分層次。在某一層次上代碼只能調(diào)用低層次上的代碼，使模塊間的調(diào)用變?yōu)橛行蛐?。系統(tǒng)每加一層，就構(gòu)成一個比原來功能更強的虛擬機。有利于系統(tǒng)的維護性和可靠性。優(yōu)點：功能明確，調(diào)用關(guān)系清晰（高層對低層單向依賴），有利于保證設(shè)計和實現(xiàn)的正確性低層和高層可分別實現(xiàn)（便于擴充）；高層錯誤不會影響到低層；避免遞歸調(diào)用缺點：降低了運行效率各系統(tǒng)對具體劃分多少層次有不同的看法。*分層原則被調(diào)用功能在低層：如文件系統(tǒng)管理－－設(shè)備管理－－設(shè)備驅(qū)動程序活躍功能在低層：提高運行效率資源管理的公用模塊放在最低層：如緩沖區(qū)隊列、堆棧操作存儲器管理放在次低層：便于利用虛擬存儲功能最低層的硬件抽象層：與機器特點緊密相關(guān)的軟件放在最低層。如WindowsNT中的HAL－－單處理、多處理資源分配策略放在最外層，便于修改或適應不同環(huán)境三、微內(nèi)核OS結(jié)構(gòu)1.客戶/服務器模式2.面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)

3.微內(nèi)核技術(shù)

把操作系統(tǒng)分成若干分別完成一組特定功能的服務進程，等待客戶提出請求；而系統(tǒng)內(nèi)核只實現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能(如：虛擬存儲、消息傳遞)。優(yōu)點：

良好的擴充性：只需添加支持新功能的服務進程即可可靠性好：調(diào)用關(guān)系明確，執(zhí)行轉(zhuǎn)移不易混亂便于網(wǎng)絡(luò)服務，實現(xiàn)分布式處理：以同樣的調(diào)用形式，在下層可通過核心中的網(wǎng)絡(luò)傳送到遠方服務器上(遠地過程調(diào)用RPC,RemoteProcedureCall)缺點：消息傳遞比直接調(diào)用效率要低一些(但可以通過提高硬件性能來補償)*常用的操作系統(tǒng)1MSDOS2MSWindows3.x,Windows95,WindowsNT,Windows20003UNIX返回目前的操作系統(tǒng)，通常具有分時、實時和批處理功能，又稱作通用操作系統(tǒng)?？蛇m用于計算、事務處理等多種領(lǐng)域，能運行在多種硬件平臺上，如UNIX系統(tǒng)、WindowsNT等。－－通用化、小型化1.DOS操作系統(tǒng)

單用戶單任務簡單分層結(jié)構(gòu)1981年IBM公司首次推出了IBM-PC個人計算機，在微機中采用了微軟公司開發(fā)的MS-DOS操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)在8位計算機操作系統(tǒng)CP/M的基礎(chǔ)上進行了較大的擴充，增加了許多內(nèi)部和外部命令，使該操作系統(tǒng)具有較強的功能及性能優(yōu)良的文件系統(tǒng)。隨著IBM-PC及其兼容機的普及和暢銷，MS-DOS操作系統(tǒng)也就成了事實上的16位微機單用戶單任務操作系統(tǒng)的標準。MSDOS的結(jié)構(gòu)DOSBIOS(BasicInput/OutputSystem)：由一組與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序組成，實現(xiàn)基本的輸入/輸出功能；DOS核心：提供一套獨立于硬件的系統(tǒng)功能：內(nèi)存管理、文件管理、字符設(shè)備和輸入/輸出、實時時鐘等；命令處理程序：對用戶命令進行分析和執(zhí)行；2.MS-Windows操作系統(tǒng)

單用戶多任務（分時系統(tǒng)）16位/16和32位混合/32位1990年微軟公司推出的Windows3.0以其易學易用、友好的圖形用戶界面、支持多任務的優(yōu)點，很快占領(lǐng)了市場。1992年推出的Windows3.1版，提供了386增強模式，提高了運行速度，功能也更強大。1993年推出了WindowsNT是一個全新的32位多任務操作系統(tǒng)，成為Windows家族中功能最強并支持網(wǎng)絡(luò)功能的操作系統(tǒng)。1995年推出Windows95之后，在Windows95的基礎(chǔ)上又推出了Windows97、98、XP，提供了Internet瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)功能，使它們成了當今個人計算機上最廣泛使用的操作系統(tǒng)。3.UNIX

多用戶多任務，16/32/64位

BSD,SVR4（模塊式結(jié)構(gòu)）,OSF/1（微內(nèi)核結(jié)構(gòu)）

UNIX系統(tǒng)是一個交互式的分時操作系統(tǒng)；是唯一能在微機工作站、小型機到大型機上都能運行的操作系統(tǒng)，也是當今世界最流行的多用戶、多任務操作系統(tǒng)。1974年《ACM通信》上發(fā)表了K.Thompson和D.Ritchie的論文“TheUNIXTime-SharingSystem”，UNIX系統(tǒng)公布于世。作者：美國BELL實驗室