计算机操作系统computeroperatingsystem

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1、第一章 操作系统引论 计算机操作系统 Computer Operating System主讲教师：薛世建 Tel: 13111574469第一章 操作系统引论 参考书目l Operating systems concepts(6th edition), A.Silberschatz，郑扣根，高等 教育出版社 l张尧学、史美林，计算机操作系统教程， 清华大学出版社 lOperating System，William Stalling， 清华大学出版社第一章 操作系统引论 课程形式 主课，习题课，课堂讨论， 实验专题课，上机实习，作业学习要求： 按时上课，认真听讲 阅读参考书 整理笔记 思考，讨

2、论，提问第一章 操作系统引论 为什么要学习操作系统选择购买操作系统 应根据实际情况的需要来选择性能价格比较高的OS 加深对使用的OS的理解，有利于深入编程 用户为了开发应用程序必须与操作系统打交道 编程时借鉴操作系统的设计思想和算法 操作系统中所用的许多概念和技巧可以推广应用到其他领 域操作系统是目前最复杂的软件成分（性能与方便使用、 性能与简单性、硬件与软件上的折衷权衡），很抽象，非 常有利于我们思维方式的学习，以便进行大型、复杂系统 的系统设计 设计OS或者修改现有的系统 存在人们意识不到的大量“操作系统”第一章 操作系统引论 第一章 操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用1.2 操作系

3、统的发展过程 1.3 操作系统的基本特性 1.4 操作系统的主要功能 1.5 操作系统的结构设计 1.6 常见的操作系统第一章 操作系统引论 1.1 操作系统的目标和作用1.1.1 操作系统的目标 目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目 标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目 标有以下几点：1. 方便性2. 有效性 3. 可扩充性 4. 开放性 第一章 操作系统引论 1.1.2 操作系统的作用 1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口最终用户与硬件的接口：命令、图形界面。程序员与硬件的接口：系统调用2. OS作为计算机系统资源的管理者3. OS用作扩充机器图 1-1 OS作

4、为接口的示意图 第一章 操作系统引论 1.2 操作系统的发展过程 1.2.1 无操作系统的计算机系统 1. 人工操作方式从第一台计算机诞生(1945年)到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。这时的计算机操作是由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将程序和数据输入计算机， 然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后， 才让下一个用户上机。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作。 第一章 操作系统引论 2.

5、脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式 这种脱机I/O方式的主要优点如下：(1) 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。 图 1-2 脱机I/O示意图第一章 操作系统引论 1.2.2 单道批处理系统 1. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System：内存里 仅有一道作业)的处理过程 图 1-3 单道批处理系统的处理流程 第一章 操作系统引论 2. 单道批处理系统的特征单道批处理系统严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。该系统的主要特征如下：(1) 自动性。 (2) 顺序性。(3) 单道性。 3. 优点：减少人工操作的

6、时间4. 缺点：作业独占CPU,CPU等待I/O使得CPU利用率低。第一章 操作系统引论 1.2.3 多道批处理系统 1. 多道程序设计的基本概念为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批 处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)。多道程序设计技术是指在内存中同时存放若干个作业，使它们共享系统资源并同时运行的技术。在该系统中， 用户所提 交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各

7、种资源。第一章 操作系统引论 在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：(1) 提高CPU的利用率。(2) 可提高内存和I/O设备利用率。(3) 增加系统吞吐量。系统吞吐量是指系统在单位时间内 所完成的总工作量（作业的数量）。第一章 操作系统引论 图 1-4 单道和多道程序运行情况 第一章 操作系统引论 2. 多道批处理系统的特征 (1) 多道性。 (2) 无序性。 (3) 调度性。 第一章 操作系统引论 3. 多道批处理系统的优缺点 (1) 资源利用率高。 (2) 系统吞吐量大。 (3) 平均周转时间长。 (4) 无交互能力。 第一章 操作系统引论 4. 多道批处理系统需要解决的问题 (1

8、) 处理机管理问题。 (2) 内存管理问题。 (3) I/O设备管理问题。 (4) 文件管理问题。 (5) 作业管理问题。 第一章 操作系统引论 1.2.4 分时系统 1. 分时系统(Time-Sharing System)的产生推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，是系统的需求。推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。用户的需求具体表现在以 下几个方面：(1) 人机交互。 (2) 共享主机。 (3) 便于用户上机。 第一章 操作系统引论 2. 分时系统实现中的关键问题(1) 及时接收：及时接收用户的命令

9、或数据，解决的办法 是配置多路卡。 (2) 及时处理：及时处理用户命令。应该使所有的用户的 作业都直接进入内存；在很短的时间内使每个作业都运 行一次第一章 操作系统引论 3. 分时系统的特征 (1) 多路性。(2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 第一章 操作系统引论 1.2.5 实时系统 所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。 1. 应用需求 (1) 实时控制。(2) 实时信息处理。 第一章 操作系统引论 2. 实时任务 1) 按

10、任务执行时是否呈现周期性来划分(1) 周期性实时任务。 (2) 非周期性实时任务。 外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间(Deadline)。它又可分为： 开始截止时间任务在某时间以前必须开始执行； 完成截止时间任务在某时间以前必须完成。 第一章 操作系统引论 2) 根据对截止时间的要求来划分(1) 硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。(2) 软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个截止时间， 但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不

11、会太大。 第一章 操作系统引论 3. 实时系统与分时系统特征的比较 (1) 多路性。 (2) 独立性。 (3) 及时性。 (4) 交互性。 (5) 可靠性。 第一章 操作系统引论 1.3 操作系统的基本特性 1.3.1 并发(Concurrence)：并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。1.3.2 共享(Sharing)：指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。(可重入码)1.3.3 虚拟(Virtual)：是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。 1.3.4 异步性(Asynchronism)：并发执行的

12、程序以不同的“速度”前进。第一章 操作系统引论 可重入码 所谓可重入码是指这样的代码，即该代码被执行时 还没有从中退出，由于某种原因又一次或者多次进 入相同的代码，该代码每次的执行结果都是正确的 ，就说该代码是可重入的；相反，如果结果不正确 ，该代码就是不可重入的。 可重入代码(又称为纯代码)，它是一种允许多个进 程同时访问的代码，是一种不允许任何进程对其进 行修改的代码。第一章 操作系统引论 可重入函数： void strcpy(char* lpszDest, char* lpszSrc)while(*dest+=*src+);*dest=0; 非可重入函数 char cTemp; / 全局

13、变量 void SwapChar(char* lpcX, char* lpcY)cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; / 引用了全局变量，在分享内存的多个线程中可能造成问题 非可重入函数 void SwapChar2(char* lpcX, char* lpcY)static char cTemp; / 静态变量cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; / 引用了静态变量，在分享内存的多个线程中可能造成问题 第一章 操作系统引论 1.4 操作系统的主要功能 1.4.1 处理机管理功能 1. 进程控制

14、在传统的多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行结束时，立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。第一章 操作系统引论 2. 进程同步为使多个进程能正常运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式：进程互斥方式，这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。为了实现进程同步，

15、系统中必须设置进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机制，是为每一个临界资源配置一把锁W，当锁打开时，进程(线程)可以对该临界资源进行访问；而当锁关上时，则禁止进程(线程)访问该临界资源。 第一章 操作系统引论 3. 进程通信在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统 中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些 进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程(线 程)之间，又往往需要交换信息。例如，有三个相互合作的进 程， 它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责 将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行 计算， 并把计算结果传送给打印进程；

16、最后，由打印进程把 计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作 的进程之间的信息交换。当相互合作的进程(线程)处于同一计算机系统时，通常在 它们之前是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接 将消息(message)挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程 利用接收命令从其消息队列中取出消息。 第一章 操作系统引论 4. 调度在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执行。在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步。作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法， 选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。 在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程，使它们都成为可能获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将它们插入就绪队列。而进程调度的任务，则是从进程的就绪队列中选出一新进程，把