lectchap4操作系统

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1、Chapter 4 操作系统 CS, ZJU 10/15/2012 Overview 操作系统的定义 操作系统的类型 常见的操作系统 操作系统的结构和组成 Windows操作系统 文件管理 2012-10-15操作系统 2 4.1 操作系统的定义 操作系统是计算机硬件和 用户（其他软件和人）之 间的接口， 位于计算机系 统核心的操作系统，它使 得用户能够方便地操作计 算机，能有效地对计算机 软件和硬件资源进行管理 和使用。 3 2012-10-15操作系统 4.2 操作系统的类型 操作系统有许多不同的分类方法，按照其使 用环境和对程序执行的处理方式进行分类， 可分为： 实时系统 单用户单任务系

2、统 单用户多任务系统 多用户多任务系统 分布式系统 并行系统 4 2012-10-15操作系统 实时系统 实时操作系统要求在规定的时间内响应，并快速处 理，其响应时间一般在毫秒、微秒级甚至更快。 大多数实时操作系统是专用系统。 实时操作系统本身对资源的使用和控制都必须优化 以满足系统要求。 5 2012-10-15操作系统 单用户单任务系统 计算机只能由一个人使用，且一次只能执行一个任 务。大多数实时操作系统是专用系统。 早前PC机的DOS（Disk OS）系统就是这种单用户单 任务操作系统。虽然这种操作系统的效率低，但是 系统对计算机硬件的要求不高。 6 2012-10-15操作系统 单用户

3、多任务系统 仍然只能支持一个人使用计算机，但允许同时执行多 个任务。目前最为常见的PC机操作系统，包括 Windows、Apple公司的Mac OS、Linux。 采用任务是一种分时处理技术，将CPU的执行时间划 分为若干个时间片，在一个时间片内执行一个任务， 在下一个时间片内执行另外一个任务，循环不息。 可以在多个程序之间进行数据交换。 由于需要支持多个任务，要在用户界面处理、系统资 源的分配和调度等方面进行大量的处理，因此整个系 统比较庞大，且比较复杂。 7 2012-10-15操作系统 多用户多任务系统 允许多个用户使用一台主机，而且支持每个用户的多 任务处理。 早期硬件资源非常昂贵，多

4、采用使用主机的多用户多 任务系统，这种结构演变到今天就是网络服务器，终 端工作站变成了PC机。 最早的操作系统UNIX就是多用户系统，今天它也是高 端网络服务器的操作系统，而Windows的服务器版也 具有这种功能。 8 2012-10-15操作系统 并行系统 并行操作系统是针对计算机系统的多处理器要求设计 的，它除了完成单一处理器系统同样的作业与进程控 制任务外，还需要完成在系统的多个处理器之间活动 的分配、调度。 并行系统要解决 “负载平衡”（Load Balancing）问 题和“缩放”问题。 9 2012-10-15操作系统 分布式系统 通过网络将物理上分布（分散）的具有独立功能的 计

5、算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、 可互操作和协作处理的系统。 侧重且扩大了操作系统对网络资源的控制范围，并 实现统一控制。 “云计算”。 10 2012-10-15操作系统 4.3 常见的操作系统 MS-MS- DOSDOS 单用户操作系统。 DOS采用字符界面，其中的命令一般都是英文单词 或缩写。 由于由于DOSDOS系统有广泛的用户群，系统有广泛的用户群，在Windows中成为 一个任务（命令提示符窗口）被保留下来。 11 2012-10-15操作系统 WindowsWindows 基于图形用户界面(GUI)的操作系统。 它可以同时运行多个应用程序(多任务) 众多版本Window

6、s 3.X、Windows NT、Windows 95、97、 98Windows 7 个人版、专业版、企业版，乃至支持庞大用户量的 数据中心版。 12 2012-10-15操作系统 UNIX/Linux UNIXUNIX是非常著名的多用户多任务分时操作系统。是非常著名的多用户多任务分时操作系统。 UNIXUNIX不仅是一个运行可靠、稳定的系统，而且由其 开创的操作系统技术一直为其他操作系统所遵循， 因此它成了事实上的标准。 LinuxLinux是一套免费使用和自由传播的类是一套免费使用和自由传播的类UnixUnix操作系操作系 统。统。 Linux被认为是一种高性能、低开支的，可以替换其 他

7、昂贵操作系统的软件。劣势在于需要更多的修补 ，且其运行应用程序的数量远没有Windows那么 多。 13 2012-10-15操作系统 Mac OS Mac OS是Apple公司为其Macintosh系列计算机设 计的操作系统。 早于Windows，且也是基于GUI的 。 具有很强的图形处理能力，被公认为是最好的图 形处理系统。 14 2012-10-15操作系统 移动设备操作系统 Palm OS 由最早生产PDA的Palm公司开发。 Windows Mobile 微软公司开发的适用于移动设备的Windows系统。 Symbian OS Nokia和Sony Ericsson等手机生产商联合开

8、发的智能手 机操作系统。 Android Google公司收购了原开发商Android后，联合多家制造 商推出的面向平板电脑、移动设备、智能手机的操作系 统。基于Linux开放的源代码开发且仍然是免费系统。 iOS Apple公司为其生产的移动电话iPhone 开发的操作系 统。 15 2012-10-15操作系统 4.4 操作系统的组成 各种类型操作系统的功能基本相同，其结构 也差不多，只是实现方法不同。 操作系统的结构基于软件的层次结构，把操 作系统分为内核（Kernel）和用户接口（Shell ）两层。 操作系统的组成包括：进程管理、存储管 理、文件管理和设备管理。 16 2012-10

9、-15操作系统 层次结构： 内核（kernel） 包括操控计算机各种资源的基本模块、设备驱动（Device Driver、内存管理 Kernel的调度程序决定哪一个任务被执行，控制程序为这些 任务分配时间片。 用户接口（shell） Shell（外壳程序）负责接收用户（包括用户执行的应用程序 ）的操作命令，并将这个命令解释后交给Kernel去执行。 Shell命令有两种方式，一种是会话式输入，另一种是命令文 件方式。 17 内核 用户接口 用户/程序 2012-10-15操作系统 PC机的操作系统已经发展成一个极为庞大和复杂 的系统： 它的内核相对稳定，其主要变化是为了适应处理器芯片 功能的变

10、化；而它的外壳则占到整个庞大系统的大部 分。 图形用户界面（GUI）改变了用户使用计算机的方式， 而对界面的管理，则成了操作系统最主要的开销，一方 面界面要美观、流畅，另一方面要为用户定制界面提供 各种方案。 18 功能组成： 进程管理 存储器管理 设备管理 文件管理 19 2012-10-15操作系统 进程管理 程序、作业和进程 “程序”成为“作业”进而成为“进程”，并被按 照一定规则进行调度。 程序、作业和进程分别定义了计算机工作过程的不 同状态。存放在磁盘上的程序看成它的一个静止状 态。作业（Job）是程序的另一个状态，它是指程 序从被选中运行直到运行结束的整个过程。当一个 作业被选中后

11、进入内存运行，这个作业就成为进 程。 所有的进程都是作业，但不是所有的作业都是进 程。换言之，正在运行的程序才是进程。 20 2012-10-15操作系统 进程调度 现代操作系统支持多任务处理， 成为进程的程序已经被调入内存 ，在一般情况下，CPU给每个进程 分配时间片并轮流去执行，也可 以根据需要对进程进行调度。 一个进程是否被运行取决于调度 算法： 一种算法是，给每个进程设定优先 级，CPU响应高级别的进程，在同 等级别的情况下顺序执行； 还有一类算法是，使得处理器和外 设处于同时“忙”的状态，尽可能 使系统“并行”，提高系统的运行 效率； 也有算法使得每个进程都得到“公 平”的响应。 2

12、012-10-15计算机科学基础21 进程同步和死锁 同步就是要使占有不同资源的不同进程同步，即保证不同的 进程使用不同的资源。 死锁就是多个进程同时占有对方需要的资源而同时请求对方 的资源，而它们在得到请求之前不会释放所占有的资源。 发生死锁会导致系统处于无效等待状态，因此必须撤销其中 的一个进程。例如在Windows中，可用“任务管理器” 终止 没有响应也就是无效的进程。 22 2012-10-15操作系统 线程 进程概念的延伸。如果程序只有一个进程就可以处 理所有的任务，那么它就是单一线程的。如果程序 可以被分解为多个进程共同完成程序的任务，那么 被分解的不同进程就叫做线程，也叫轻量级进

13、程（ Light Weight Processes） 线程的模式可分为：线程的模式可分为： 单线程单线程 单元线程模式单元线程模式 自由线程模式自由线程模式 23 2012-10-15操作系统 存储器管理 操作系统动态监控计算机内存空间的使用情况，当某 个程序执行结束后，系统就会自动将它占用的内存单 元收回以供其他程序使用。操作系统记录每个程序使 用内存的情况，根据进程执行情况，不断变换内存空 间的分配。存储器管理还负责管理内存、外存之间数 据交换。 内存管理 内存和外存数据交换 虚拟内存 24 内存管理 操作系统的一个重要任务就是要解决“内存不足”以致程序 无法运行的问题。存储器管理器（Me

14、mory Manage Unit， MMU），一般可以分为单道程序和多道程序， 单道程序： 内存大部分被单一的程序所使用，内存中的另一 个较小的部分是装载操作系统。多见于早期的计算 机、专用计算机； 单道程序存在的问题是： 被运行的程序大小（Size）受到内存的限制 数据空间随着程序执行的进展而扩大，程序会出现运行异 常 只能够运行一个程序 25 2012-10-15操作系统 单道程序： 内存大部分被单一的程序所 使用，内存中的另一个较小 的部分是装载操作系统。多 见于早期的计算机、专用计 算机； 序存在的问题是： 被运行的程序大小（Size）受到 内存的限制。 数据空间随着程序执行的进展 而

15、扩大，程序会出现运行异 常。 只能够运行一个程序。 26 多道程序 MMU需要给每一个程序（进 程）分配内存空间，并将各 个程序的内存地址传给进程 管理器的进程表。 按照内存和外存是否交换程 序和数据进行划分，有两种 实现多道程序的技术： 非交换技术，程序运行期间 全部在内存进行，不和外存 交换数据。 交换技术，程序在运行期间 需要和外存交换数据。 27 2012-10-15操作系统 内存和外存数据交换 在操作系统中，MMU负责处理： 何时将程序或数据从外存装载到内存中？ CPU如何在内存中寻找所需要的程序和数据的地址。 如何对内存分区或者分块，以存放不同的程序。 28 2012-10-15操

16、作系统 虚拟存储 在磁盘上开辟一个比内存要大的空间（Windows建 议为1.5倍），把被执行的程序装载到这个区域中， 按照内存的结构进行组织 。 引入虚拟存储技术的好处 可在较小的可用内存中执行较大的用户程序； 可在内存中容纳更多程序并发执行； 不必影响编程时的程序结构； 提供给用户可用的虚拟内存空间通常大于物理内存(real memory)； 虚拟内存的实现有两种方法： 按需调页（Demanded Paging） 按需调段（Demanded Segmentation）。 29 2012-10-15操作系统 设备管理 如何对设备进行区分并制定不同设备的不同的访问策略 ，使系统实现有效管理，是操作系统设备管理的主要任 务。 设备分类 块设备：信息存放在固定长度块中