大学操作系统教程-彭德林-PPT文稿资料课件PPT
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大学操作系统教程-彭德林-PPT文稿资料课件PPT,大学,操作系统,教程,彭德林,ppt,文稿,资料,课件
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21世纪高职高专规划教材 操作系统教程,彭德林 李德有 主编 明丽宏 迟国栋 黎凤英 副主编 中国水利水电出版社,主要内容： 明确计算机操作系统的基本概念、操作系统在计算机系统中的地位和特点，叙述操作系统的功能和分类，简要介绍几种典型的操作系统。 学习任务： 1.1 初识操作系统的概念及发展 1.2 了解操作系统的分类 1.3 掌握操作系统的特性和功能 1.4 认知几种典型的操作系统,第1章 操作系统概述,1.1 初识操作系统的概念及发展,1.1.1 操作系统的基本概念 1.1.1.1 计算机系统的组成 完整的计算机系统是由计算机硬件系统和软件系统组成的（如图1.1所示） 1. 硬件系统的组成 计算机硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。 2. 软件系统的组成 计算机软件系统主要由系统软件和应用软件组成。系统软件主要用来管理计算机本身的操作 ；应用软件则是计算机提供给用户用来解决具体问题的工具,图 1.1 计算机系统组成,1.1.1.2 操作系统的定义 可见，操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序和模块的集合，它们以最有效合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。,1.1.2 操作系统的发展 1.1.2.1 无操作系统阶段 自1946年第一台数字电子计算机的诞生到上个世纪五十年代中期的计算机，都是电子管计算机，此时还没有操作系统，属于操作系统发展的第一阶段。这一时期操作计算机的主要方式有以下二种 ： 1.人工操作方式: 这种人工操作的特点是： （1）程序设计直接编制二进制目标程序。 （2）输入输出设备主要是纸带和卡片(如图1.4所示)。 （3）CPU要等待人工操作，程序员亲手上机操作，程序运行和结果输出都是以手工方式进行。 （4）单用户方式，用户独占CPU和系统资源。,2. 脱机输入输出方式 采用脱机输入输出的方式与人工操作方式相比，有如下优点： （1）减少了CPU空闲时间。 （2）提高了输入输出速度。 1.1.2.2 单道批处理系统阶段 从上个世纪五十年代中期至六十年代中期,这一阶段是计算机硬件发展的晶体管时代，此时出现了单道批处理系统。 1.单道批处理系统 由于系统对作业的处理是成批进行，并且在内存中只保持一道作业，所以也称为单道批处理系统。 2. 单道批处理系统的特征 自动性：作业是被自动处理。 顺序性：作业是一个一个被处理的。 单道性：内存中始终是保持一道作业。,1.1.2.3 多道程序设计阶段 二十世纪六十年代中期至八十年代，是计算机硬件体系结构发展的集成电路时代，而此时计算机操作系统的发展，则进入了以多道程序设计技术为主的阶段。 1.1.2.4 现代操作系统的形成 操作系统到20世纪80年代已趋于成熟。批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是操作系统的三个基本类型。随着计算机硬件技术和软件技术的发展，又出现了多处理机操作系统、微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统以及嵌入式操作系统等多种类型的现代操作系统。,1.2 操作系统的分类,1.2.1 批处理操作系统 批处理操作系统是随着计算机硬件的发展而出现的，是为了提高计算机的工作效率，除去人对计算机系统运行的干预，解决人机矛盾而提出的一种计算机成批处理的操作过程。 依据系统的复杂程度和出现时间的先后，可以把批处理操作系统分类为单道批处理系统和多道批处理系统两种。,1.2.1.1 单道批处理系统 1. 单道批处理系统（Simple Batch Processing System）的处理过程（如图所示）,2. 单道批处理系统的特征 （1）自动性。 （2）顺序性。 （3）单道性。 （4）存储器保护。 单道批处理系统的缺点： 一次仅能运行一个作业，这对于价格昂贵的计算机系统来说，只有一个部件工作，其余部件均处于闲置状态，资源利用率很低。,1.2.1.2 多道批处理系统 在批处理系统中引入多道程序设计后，具有以下特征： （1）多道性。 （2）并行性。 （3）串行性。 （4）无序性。 （5）调度性。 （6）系统开销小。 多道批处理系统的缺点是：用户没有交互能力，用户一旦把作提交给系统后就失去了对自己作业的控制，系统将根据作业说明书来控制作业的执行，这对程序的修改和调试是非常不便的。作业的平均周转时间长，由于作业要排队，依次进行处理，因而周转时间较长。特别对于排在队尾作业其运行请求会被长期推迟响应。,1.2.2 分时操作系统 1.2.2.1 分时系统的提出 分时操作系统是在批处理系统的基础上，采用分时技术提出的一种新类型的操作系统。 1.2.2.2 分时的实现 配置了分时操作系统的计算机采用主从式多终端的计算机体系结构，一台主机连接着多个带有显示器、键盘及控制器的本地或远程终端，每个用户可以通过终端以交互方式向系统发出命令，共享系统资源，请求完成某项工作，系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的需求，之后，用户又根据系统提供的运行结果，向系统提出下一步请求，就这样重复上述交互会话过程，直到用户完成预计的全部工作为止。,1.2.2.3 分时系统的特征 1. 交互性 2. 及时性 3. 独占性 4. 同时性（多路性） 1.2.3 实时操作系统 实时操作系统是指系统能够及时（规定时间内）对外部输入的信息（一般为一些随机事件）进行响应，并以足够快的速度完成对信息处理的一类操作系统。,实时系统按其使用方式不同可以分为两类：实时控制系统和实时信息处理系统。 1.2.3.1 实时控制系统 实时控制指微型计算机在实时过程控制和提供环境监督中的应用。过程控制系统是从传感器获得输入的数字或模拟信息进行分析处理后，激发一个活动信号，从而改变可控过程，以达到控制的目的。 1.2.3.2 实时信息处理系统 其主要特点是： 1. 实时响应 2. 整体性 3. 高可靠性和安全性,1.2.4 网络操作系统 网络操作系统（NOS）可以看作是在网络环境下工作的操作系统软件，可简单地定义为管理整个网络资源和方便网络用户的软件集合。网络操作系统是计算机网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。它在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加了网络操作所需要的能力。 1.2.4.1 网络操作系统的功能 网络操作系统具有网络通信、资源管理、网络服务、网络管理、和相互操作能力等功能。,1.2.4.2 网络操作系统的工作模式 网络操作系统运行在称为服务器的计算机上，并由联网的计算机用户（这类用户称为客户）共享，这就是网络操作系统的客户机/服务器（C/S）模式，该模式具有分布处理和集中控制的特征。 网络操作系统的另一种工作模式是具有分布处理特征的对等模式，其中各个客户机可以看作是访问其他站点（服务器）的客户，也可看作是向其他站点（客户）提供服务的服务器。即网络服务和控制功能分布于各个站点上，各个站点（客户）是对等关系。,1.3 操作系统的特性和功能,1.3.1 操作系统的特征 不同操作系统有不同的特征，一个操作系统可能包含了多种特征，但大多数操作系统都具有以下几种重要特征。 1. 并发性（concurrence） 2. 共享性（sharing） 3. 虚拟性（virtual） 4. 异步性（asynchronism）,1.3.2 操作系统的功能 操作系统具有存储器管理功能、处理机管理功能、设备管理功能和文件管理功能。 1.3.2.1 存储器管理的功能 1. 内存分配 主要任务是为每道程序分配内存空间，但要以存储器利用率最高、减少不可用的内存空间为准则，同时允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。 操作系统在实施内存分配时可以采用静态分配方式和动态分配方式。,2. 内存保护 主要任务是确保每道用户程序在自己的内存空间中运行，互不干扰，也就是说绝不允许用户程序访问操作系统以及其他用户中的程序和数据。 3. 地址映射 在多道程序设计环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的，因此，存储器管理必须提供正确的地址映射功能。 4. 内存扩充 由于物理内存的容量有限，有时难以满足用户的需要，存储器管理的任务之一就是在不增加物理内存的条件下，借助于虚拟内存技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。,1.3.2.2 处理机管理的功能 处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为单位的，所以对处理机的管理可理解为对进程的管理。进程管理包括以下主要内容。 进程控制包括进程的创建、进程的撤消、控制进程在不同的状态间转换。进程控制的实现是通过若干条操作系统提供的进程控制原语和系统功能调用来实现的。 对各个进程的运行进行协调有两种方式。 （1）进程互斥方式。 （2）进程同步方式。,1.3.2.3 设备管理的功能 操作系统设备管理的主要任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；方便用户使用I/O设备。设备管理应具有以下功能。 1. 缓冲管理 2. 设备分配 3. 设备处理 4.共享设备的分配与虚拟设备的分配。,1.3.2.4 文件管理的功能 文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。 文件系统应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理、文件的共享与保护等功能。 1. 文件存储空间的管理 其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，并依据一定的格式建立文件各逻辑块与物理块之间的对应关系，即构建文件的物理结构，为用户顺序或随机存取文件做好准备，从而尽量提高外存的利用率，提高对文件的存取速度。,2. 目录管理 目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现按名存取。另外，目录管理还应以链接方式实现文件的共享。 3. 文件的操作 文件的读写管理、文件的共享与保护等功能。 除了上述功能之外，操作系统还要具备中断处理、错误处理等功能。操作系统的各功能之间并非是完全独立的，它们之间存在着相互依赖的关系。,1.4 典型操作系统的简介,在个人计算机发展过程中，出现过许多不同的操作系统，其中目前使用较多较典型的操作系统有Windows、UNIX、Linux等，下面分别予以简述。 1.4.1 Windows 操作系统 1.4.1.1 发展过程 为满足用户对操作更方便、直接和灵活的要求，微软公司推出了一种采用图形用户界面（Graphics User Interface，GUI）的新颖的操作系统，Windows操作系统。在近20年的发展过程中，微软主要推出的版本有Windows3.X，Windows 9X，Windows NT，Windows 2000，Windows Me，Windows XP和Windows 2003。Windows操作系统以其灵活、快速、便宜等优点，逐渐占据了PC微型计算机上的主导地位。,1.4.1.2 主要特点 1. 具有丰富多彩的图形用户界面，以全新的图标、菜单和对话框的方式支持用户操作，使计算机的操作使用更加方便、容易。 2. 支持多任务运行，多任务之间可方便的切换和交换信息。 3. 充分利用了硬件的潜在功能，突破了DOS中640KB的用户可用内存限制，提供了虚拟存储功能等内存管理能力。 4. 提供了方便可靠的用户操作管理，如资源管理器、文件管理器、打印管理器、控制面板等操作，可完成文件、任务和设备的并行管理。,5. 操作系统本身也提供了功能强大的、方便实用的工具软件和应用软件，如字处理软件、绘图软件、通信软件、办公室用化软件等。 1.4.2 Unix操作系统简介 1.4.2.1 发展过程 Unix系统于1969年问世，是一个多用户、多任务的分时操作系统。最初由贝尔实验室开发在PDP-7上实现的。贝尔实验室和其他一些部门在Unix上的开发工作，导致一系列Unix版本的产生。后来，又凭借其性能的完善和良好的可移植性，经历不断的发展、演变，并广泛的应用于小型计算机、超级小型计算机乃至大型计算机上。,1.4.2.2 系统特点 由于PC机硬件性能的提高，Unix操作系统又被移植到微型计算机上。可以说，Unix是在微型计算机上使用的，功能最完善、安全性能最好的操作系统。它具有以下的一些主要特点。 1. 先进完善的系统管理功能 2. 系统内核短小精悍，便于维护和扩充 3. 采用具有典型的树形结构的文件系统 4. 良好的系统可移植性,1.4.3 Linux操作系统 1.4.3.1 发展过程 Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，Linux系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。Linux的出现，最早开始于一位名叫Linus Torvalds的计算机业余爱好者，当时他是芬兰赫尔辛基大学的学生。他的目的是想设计一个代替Minix的操作系统，这个操作系统具有Unix操作系统的全部功能，因而开始了Linux雏形的设计。 发展至今Linux有很多发行版本，较流行的有：RedHat Linux、Debian Linux、RedFlag Linux等。,1.4.3.2 Linux的构成 Linux由内核、Shell、文件结构和实用工具四个主要部组成。 1. Linux内核 内核是系统的心脏，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。它从用户那里接受命令并把命令送给内核去执行。 2. Linux Shell Shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。,3. Linux文件结构 文件结构是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。Linux目录采用多级树形结构。用户可以浏览整个系统，可以进入任何一个已授权进入的目录，访问那里的文件。 4. Linux实用工具 标准的Linux系统都有一套叫做实用工具的程序,它们是专门的程序 实用工具可分三类: 编辑器：用于编辑文件。 过滤器：用于接收数据并过滤数据。 交互程序：允许用户发送信息或接收来自其他用户的信息。,1.4.3.3 Linux优点与优势 1. Linux的优点 Linux是免费的软件，你可以自由安装及任意修改软件的源代码。 它拥有数量庞大的经世界各地Linux高手所开发的应用软件的支持。 Linux系统与System V及BSD Unix兼容，并符合POSIX1.0规格。 具备现代一切功能完善的Unix系统所具备的全部特征，其中包括真正的多任务、虚拟存储、共享库函数、即时负载、优越的存储管理和TCP/IP网络支持等。 支持Intel x86、680x0、Sparc、Alpha及MIPS等平台，并广泛支持各种周边设备。 系统内核紧凑高效，对硬件要求低，即使在4MB内存的386PC机上，也有非常卓越的表现。,2. Linux的优势 Linux之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原因有两个，一是它属于自由软件，用户不用支付任何费用就可以获得它和它的源代码，并且可以根据自己的需要对它进行必要的修改，无偿对它使用，无约束地继续传播。另一个原因是，它具有Unix的全部功能，任何使用Unix操作系统或想要学习Unix操作系统的人都可以从Linux中获益。,本章小结,本章介绍了计算机操作系统的概念及其发展，从不同角度叙述了计算机操作系统的分类，详细阐述了操作系统的特性和功能，最后简要介绍了几种流行的操作系统的发展过程及特点。,实训一,1. 熟练Windows Server 2003的使用，熟悉Windows操作系统的特点。 2. 下载、安装和简单使用Linux操作系统，初步了解该操作系统的优点。,21世纪高职高专规划教材操作系统教程 彭德林 李德有 主编明丽宏 迟国栋 黎凤英 副主编 中国水利水电出版社主要内容： 明确计算机操作系统的基本概念、操作系统在计算机系统中的地位和特点，叙述操作系统的功能和分类，简要介绍几种典型的操作系统。学习任务：1.1 初识操作系统的概念及发展1.2 了解操作系统的分类1.3 掌握操作系统的特性和功能1.4 认知几种典型的操作系统 第1章 操作系统概述1.1 初识操作系统的概念及发展1.1.1 操作系统的基本概念1.1.1.1 计算机系统的组成 完整的计算机系统是由计算机硬件系统和软件系统组成的（如图1.1所示）1. 硬件系统的组成 计算机硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。2. 软件系统的组成 计算机软件系统主要由系统软件和应用软件组成。系统软件主要用来管理计算机本身的操作 ；应用软件则是计算机提供给用户用来解决具体问题的工具 1.1.1.2 操作系统的定义 可见，操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序和模块的集合，它们以最有效合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行，从而在计算机与用户之间起到接口的作用。1.1.2 操作系统的发展1.1.2.1 无操作系统阶段 自1946年第一台数字电子计算机的诞生到上个世纪五十年代中期的计算机，都是电子管计算机，此时还没有操作系统，属于操作系统发展的第一阶段。这一时期操作计算机的主要方式有以下二种 ：1.人工操作方式: 这种人工操作的特点是：（1）程序设计直接编制二进制目标程序。（2）输入输出设备主要是纸带和卡片(如图1.4所示)。（3）CPU要等待人工操作，程序员亲手上机操作，程序运行和结果输出都是以手工方式进行。（4）单用户方式，用户独占CPU和系统资源。2. 脱机输入输出方式 采用脱机输入输出的方式与人工操作方式相比，有如下优点：（1）减少了CPU空闲时间。（2）提高了输入输出速度。 1.1.2.2 单道批处理系统阶段 从上个世纪五十年代中期至六十年代中期,这一阶段是计算机硬件发展的晶体管时代，此时出现了单道批处理系统。1.单道批处理系统 由于系统对作业的处理是成批进行，并且在内存中只保持一道作业，所以也称为单道批处理系统。 2. 单道批处理系统的特征自动性：作业是被自动处理。顺序性：作业是一个一个被处理的。单道性：内存中始终是保持一道作业。 1.1.2.3 多道程序设计阶段二十世纪六十年代中期至八十年代，是计算机硬件体系结构发展的集成电路时代，而此时计算机操作系统的发展，则进入了以多道程序设计技术为主的阶段。1.1.2.4 现代操作系统的形成操作系统到20世纪80年代已趋于成熟。批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是操作系统的三个基本类型。随着计算机硬件技术和软件技术的发展，又出现了多处理机操作系统、微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统以及嵌入式操作系统等多种类型的现代操作系统。 1.2 操作系统的分类1.2.1 批处理操作系统 批处理操作系统是随着计算机硬件的发展而出现的，是为了提高计算机的工作效率，除去人对计算机系统运行的干预，解决人机矛盾而提出的一种计算机成批处理的操作过程。 依据系统的复杂程度和出现时间的先后，可以把批处理操作系统分类为单道批处理系统和多道批处理系统两种。 1.2.1.1 单道批处理系统1. 单道批处理系统（Simple Batch Processing System）的处理过程（如图所示）2. 单道批处理系统的特征（1）自动性。（2）顺序性。（3）单道性。（4）存储器保护。单道批处理系统的缺点： 一次仅能运行一个作业，这对于价格昂贵的计算机系统来说，只有一个部件工作，其余部件均处于闲置状态，资源利用率很低。 1.2.1.2 多道批处理系统 在批处理系统中引入多道程序设计后，具有以下特征： （1）多道性。 （2）并行性。 （3）串行性。 （4）无序性。 （5）调度性。 （6）系统开销小。 多道批处理系统的缺点是：用户没有交互能力，用户一旦把作提交给系统后就失去了对自己作业的控制，系统将根据作业说明书来控制作业的执行，这对程序的修改和调试是非常不便的。作业的平均周转时间长，由于作业要排队，依次进行处理，因而周转时间较长。特别对于排在队尾作业其运行请求会被长期推迟响应。 1.2.2 分时操作系统 1.2.2.1 分时系统的提出 分时操作系统是在批处理系统的基础上，采用分时技术提出的一种新类型的操作系统。1.2.2.2 分时的实现 配置了分时操作系统的计算机采用主从式多终端的计算机体系结构，一台主机连接着多个带有显示器、键盘及控制器的本地或远程终端，每个用户可以通过终端以交互方式向系统发出命令，共享系统资源，请求完成某项工作，系统则分析从终端设备发来的命令，完成用户提出的需求，之后，用户又根据系统提供的运行结果，向系统提出下一步请求，就这样重复上述交互会话过程，直到用户完成预计的全部工作为止。 1.2.2.3 分时系统的特征1. 交互性2. 及时性3. 独占性4. 同时性（多路性）1.2.3 实时操作系统 实时操作系统是指系统能够及时（规定时间内）对外部输入的信息（一般为一些随机事件）进行响应，并以足够快的速度完成对信息处理的一类操作系统。 实时系统按其使用方式不同可以分为两类：实时控制系统和实时信息处理系统。1.2.3.1 实时控制系统 实时控制指微型计算机在实时过程控制和提供环境监督中的应用。过程控制系统是从传感器获得输入的数字或模拟信息进行分析处理后，激发一个活动信号，从而改变可控过程，以达到控制的目的。 1.2.3.2 实时信息处理系统其主要特点是：1. 实时响应2. 整体性3. 高可靠性和安全性1.2.4 网络操作系统 网络操作系统（NOS）可以看作是在网络环境下工作的操作系统软件，可简单地定义为管理整个网络资源和方便网络用户的软件集合。网络操作系统是计算机网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。它在计算机操作系统下工作，使计算机操作系统增加了网络操作所需要的能力。1.2.4.1 网络操作系统的功能 网络操作系统具有网络通信、资源管理、网络服务、网络管理、和相互操作能力等功能。 1.2.4.2 网络操作系统的工作模式 网络操作系统运行在称为服务器的计算机上，并由联网的计算机用户（这类用户称为客户）共享，这就是网络操作系统的客户机/服务器（C/S）模式，该模式具有分布处理和集中控制的特征。 网络操作系统的另一种工作模式是具有分布处理特征的对等模式，其中各个客户机可以看作是访问其他站点（服务器）的客户，也可看作是向其他站点（客户）提供服务的服务器。即网络服务和控制功能分布于各个站点上，各个站点（客户）是对等关系。 1.3 操作系统的特性和功能1.3.1 操作系统的特征 不同操作系统有不同的特征，一个操作系统可能包含了多种特征，但大多数操作系统都具有以下几种重要特征。1. 并发性（concurrence）2. 共享性（sharing）3. 虚拟性（virtual）4. 异步性（asynchronism）1.3.2 操作系统的功能 操作系统具有存储器管理功能、处理机管理功能、设备管理功能和文件管理功能。1.3.2.1 存储器管理的功能 1. 内存分配 主要任务是为每道程序分配内存空间，但要以存储器利用率最高、减少不可用的内存空间为准则，同时允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。 操作系统在实施内存分配时可以采用静态分配方式和动态分配方式。 2. 内存保护 主要任务是确保每道用户程序在自己的内存空间中运行，互不干扰，也就是说绝不允许用户程序访问操作系统以及其他用户中的程序和数据。3. 地址映射 在多道程序设计环境下，地址空间中的逻辑地址和内存空间中的物理地址是不可能一致的，因此，存储器管理必须提供正确的地址映射功能。 4. 内存扩充 由于物理内存的容量有限，有时难以满足用户的需要，存储器管理的任务之一就是在不增加物理内存的条件下，借助于虚拟内存技术从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多。 1.3.2.2 处理机管理的功能 处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为单位的，所以对处理机的管理可理解为对进程的管理。进程管理包括以下主要内容。 进程控制包括进程的创建、进程的撤消、控制进程在不同的状态间转换。进程控制的实现是通过若干条操作系统提供的进程控制原语和系统功能调用来实现的。 对各个进程的运行进行协调有两种方式。 （1）进程互斥方式。 （2）进程同步方式。1.3.2.3 设备管理的功能 操作系统设备管理的主要任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；方便用户使用I/O设备。设备管理应具有以下功能。 1. 缓冲管理 2. 设备分配 3. 设备处理 4.共享设备的分配与虚拟设备的分配。 1.3.2.4 文件管理的功能 文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。 文件系统应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理、文件的共享与保护等功能。 1. 文件存储空间的管理 其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，并依据一定的格式建立文件各逻辑块与物理块之间的对应关系，即构建文件的物理结构，为用户顺序或随机存取文件做好准备，从而尽量提高外存的利用率，提高对文件的存取速度。 2. 目录管理 目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现按名存取。另外，目录管理还应以链接方式实现文件的共享。 3. 文件的操作 文件的读写管理、文件的共享与保护等功能。 除了上述功能之外，操作系统还要具备中断处理、错误处理等功能。操作系统的各功能之间并非是完全独立的，它们之间存在着相互依赖的关系。 1.4 典型操作系统的简介 在个人计算机发展过程中，出现过许多不同的操作系统，其中目前使用较多较典型的操作系统有Windows、UNIX、Linux等，下面分别予以简述。1.4.1 Windows 操作系统1.4.1.1 发展过程 为满足用户对操作更方便、直接和灵活的要求，微软公司推出了一种采用图形用户界面（Graphics User Interface，GUI）的新颖的操作系统，Windows操作系统。在近20年的发展过程中，微软主要推出的版本有Windows3.X，Windows 9X，Windows NT，Windows 2000，Windows Me，Windows XP和Windows 2003。Windows操作系统以其灵活、快速、便宜等优点，逐渐占据了PC微型计算机上的主导地位。 1.4.1.2 主要特点 1. 具有丰富多彩的图形用户界面，以全新的图标、菜单和对话框的方式支持用户操作，使计算机的操作使用更加方便、容易。2. 支持多任务运行，多任务之间可方便的切换和交换信息。3. 充分利用了硬件的潜在功能，突破了DOS中640KB的用户可用内存限制，提供了虚拟存储功能等内存管理能力。4. 提供了方便可靠的用户操作管理，如资源管理器、文件管理器、打印管理器、控制面板等操作，可完成文件、任务和设备的并行管理。 5. 操作系统本身也提供了功能强大的、方便实用的工具软件和应用软件，如字处理软件、绘图软件、通信软件、办公室用化软件等。1.4.2 Unix操作系统简介 1.4.2.1 发展过程 Unix系统于1969年问世，是一个多用户、多任务的分时操作系统。最初由贝尔实验室开发在PDP-7上实现的。贝尔实验室和其他一些部门在Unix上的开发工作，导致一系列Unix版本的产生。后来，又凭借其性能的完善和良好的可移植性，经历不断的发展、演变，并广泛的应用于小型计算机、超级小型计算机乃至大型计算机上。 1.4.2.2 系统特点 由于PC机硬件性能的提高，Unix操作系统又被移植到微型计算机上。可以说，Unix是在微型计算机上使用的，功能最完善、安全性能最好的操作系统。它具有以下的一些主要特点。 1. 先进完善的系统管理功能 2. 系统内核短小精悍，便于维护和扩充 3. 采用具有典型的树形结构的文件系统 4. 良好的系统可移植性 1.4.3 Linux操作系统 1.4.3.1 发展过程 Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，Linux系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。Linux的出现，最早开始于一位名叫Linus Torvalds的计算机业余爱好者，当时他是芬兰赫尔辛基大学的学生。他的目的是想设计一个代替Minix的操作系统，这个操作系统具有Unix操作系统的全部功能，因而开始了Linux雏形的设计。 发展至今Linux有很多发行版本，较流行的有：RedHat Linux、Debian Linux、RedFlag Linux等。 1.4.3.2 Linux的构成 Linux由内核、Shell、文件结构和实用工具四个主要部组成。1. Linux内核 内核是系统的心脏，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。它从用户那里接受命令并把命令送给内核去执行。2. Linux Shell Shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行。 3. Linux文件结构 文件结构是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。Linux目录采用多级树形结构。用户可以浏览整个系统，可以进入任何一个已授权进入的目录，访问那里的文件。4. Linux实用工具 标准的Linux系统都有一套叫做实用工具的程序,它们是专门的程序 实用工具可分三类: 编辑器：用于编辑文件。 过滤器：用于接收数据并过滤数据。 交互程序：允许用户发送信息或接收来自其他用户的信息。 1.4.3.3 Linux优点与优势 1. Linux的优点Linux是免费的软件，你可以自由安装及任意修改软件的源代码。它拥有数量庞大的经世界各地Linux高手所开发的应用软件的支持。Linux系统与System V及BSD Unix兼容，并符合POSIX1.0规格。具备现代一切功能完善的Unix系统所具备的全部特征，其中包括真正的多任务、虚拟存储、共享库函数、即时负载、优越的存储管理和TCP/IP网络支持等。支持Intel x86、680x0、Sparc、Alpha及MIPS等平台，并广泛支持各种周边设备。系统内核紧凑高效，对硬件要求低，即使在4MB内存的386PC机上，也有非常卓越的表现。 2. Linux的优势 Linux之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原因有两个，一是它属于自由软件，用户不用支付任何费用就可以获得它和它的源代码，并且可以根据自己的需要对它进行必要的修改，无偿对它使用，无约束地继续传播。另一个原因是，它具有Unix的全部功能，任何使用Unix操作系统或想要学习Unix操作系统的人都可以从Linux中获益。 本章小结 本章介绍了计算机操作系统的概念及其发展，从不同角度叙述了计算机操作系统的分类，详细阐述了操作系统的特性和功能，最后简要介绍了几种流行的操作系统的发展过程及特点。实训一 1. 熟练Windows Server 2003的使用，熟悉Windows操作系统的特点。2. 下载、安装和简单使用Linux操作系统，初步了解该操作系统的优点。 2.1进程的基本概念,2.2进程控制,2.4进程调度,2.3进程互斥、同步和通信,2.5死锁,2.6线程,2.7 Windows Server 2003进程管理,第2章进程管理,2.1进程的基本概念,程序的执行与特征 进程的概念与特征 进程的状态及状态转换 进程控制块,2.1.1程序的执行与特征,程序顺序执行 程序顺序执行 ：一个较大的程序通常都由若干个程序段组成。程序在执行时，必须按照某种先后次序逐个执行，仅当前一操作执行完后，才能执行后继操作。 程序顺序执行时的特征 顺序性 可再现性 封闭性,程序并发执行 程序并发执行 ：是指各程序在执行时间上是可重叠的。我们把执行时间上有重叠的几个程序称为并发程序。 程序并发执行时的特征 间断性 失去封闭性 不可再现性,如图2.2所示，对一个作业而言，其输入程序、计算程序和打印程序这三个操作必须顺序执行；但对一批作业而言，许多程序之间就有可能并发执行。例如，输入程序在输入第一个程序后，在计算程序对该程序进行计算的同时，可由输入程序再输入第二个程序，从而使第一个程序的计算操作与第二个程序的输入操作并发执行。一般说，输入程序在输入第I+1个程序时，计算程序可能正在对第I个程序进行计算，而打印程序正在打印第I-1个程序的计算结果。,2.1.2进程的概念与特性,进程的概念与特征 进程的概念:可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程 进程和程序是两个既有联系又有区别的概念，它们的区别和联系可简述如下： 进程是一个动态概念，而程序则是一个静态概念。程序是指令的有序集合，没有任何执行的含义；而进程则强调执行过程，它动态地被创建，并被调度执行后消亡。,进程具有并行特征，而程序没有。由进程的定义可知，进程具有并行特征的两个方面，即独立性和异步性。也就是说，在不考虑资源共享的情况下，各进程的执行是独立的，执行速度是异步的。显然，由于程序不反映执行过程，所以不具有并行特征 进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并行性受到系统自己的制约。这里，制约就是对进程独立性和异步性的限制。 不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。,2.1.3进程的状态及状态转换,进程的状态 在进程的生命期内，一个进程至少具有三种基本状态，它们是：执行状态、等待状态和就绪状态。 进程的状态转换 进程的状态反映进程执行过程的变化。这些状态随着进程的执行和外界条件发生变化和转换。那么，是什么样的条件使得进程各状态发生转换呢？图2.3 给出了三个基本状态，即就绪状态、执行状态与等待状态之间的转换关系。,图 2.3 进程状态转换,2.1.4进程控制块PCB,从处理机的活动角度来看，如何识别、描述进程呢？显然，系统中需要有描述进程存在和能够反映其变化的物理实体，即进程的静态描述。进程的静态描述由三部分组成：进程控制块PCB，有关程序段和该程序段对其进行操作的数据结构集。进程控制块包含了有关进程的描述信息、控制信息以及资源信息，是进程动态特征的集中反映。系统根据PCB感知进程的存在和通过PCB中所包含的各项变量的变化，掌握进程所处的状态以达到控制进程活动的目的。由于进程的PCB 是系统感知进程的唯一实体，因此，在几乎所有的多道操作系统中，一个进程的PCB结构都是全部或部分常驻内存的。,一般来说，根据操作系统的要求不同，进程的 PCB所包含的内容会多少有所不同,但是下面所示基本内容是必需的： (1) 描述信息 进程名或进程标识号 用户名或用户标识号 家族关系 (2) 控制信息 进程当前状态 进程在活动期间可分为就绪态、执行态和等待状态。 进程优先级 进程优先级是选取进程占有处理机的重要依据。与进程优先级有关的PCB表项有： a. 占有CPU时间；,b. 进程优先级偏移； c. 占据内存时间等。 程序开始地址 各种计时信息 给出进程占有和利用资源的有关情况。 通信信息 通信信息用来说明该进程在执行过程中与别的进程所发生的信息交换情况。 (3) 资源管理信息 PCB 中包含最多的是资源管理信息，包括有关存储器的信息、使用输入输出设备的信息、有关文件系统的信息等，这些信息有： 占用内存大小及其管理用数据结构指针，例如，后述内存管理中所用到的进程页表指针等。, 在某些复杂系统中，还有对换或覆盖用的有关信息，如对换程序段长度，对换外存地址等，这些信息在进程申请、释放内存中使用。 共享程序段大小及起始地址。 输入输出设备的设备号，所要传送的数据长度、缓冲区地址、缓冲区长度及所用设备的有关数据结构指针等。这些信息在进程申请，释放设备进行数据传输中使用。 指向文件系统的指针及有关标识等。进程可使用这些信息对文件系统进行操作。 (4) CPU 现场保护结构 总之，进程控制块PCB 是系统感知进程存在的唯一实体。,2.2进程控制,操作系统内核简介 建立进程 进程的撤消 进程的阻塞 进程的唤醒 进程的挂起和激活,2.2.1操作系统内核简介,2.2.2建立进程,在多道程序环境中，只有（作为）进程（时）才能在系统中运行。因此，为使程序能运行就必须为它创建进程。导致一个进程去创建另一进程的典型事件，可有以下四类： 用户登录 作业调度 提供服务 应用请求,一旦操作系统发现了要求创建进程的事件后，便调用进程创建原语，按下述步骤创建进程： (1) 由系统程序模块统一创建，例如，在批处理系统中，由操作系统的作业调度程序为用户作业创建相应的进程以完成用户作业所要求的功能。 (2) 由父进程创建，例如，在层次结构的系统中，父进程创建子进程以完成并行工作。,2.2.3进程的撤消,以下几种情况导致进程被撤消： 该进程已完成所要求的功能而正常终止。 由于某种错误导致非正常终止。 祖先进程要求撤消某个子进程。 无论哪一种情况导致进程被撤消，进程都必须释放它所占用的各种资源和PCB 结构本身，以利于资源的有效利用。另外，当一个祖先进程撤消某个子进程时，还需审查该子进程是否还有自己的子孙进程，若有的话，还需撤消其子孙进程的 PCB结构和释放它们所占有的资源。,2.2.4进程的阻塞,阻塞原语在一个进程期待某一事件发生，但发生条件尚不具备时，被该进程自己调用来阻塞自己。阻塞原语在阻塞一个进程时，由于该进程正处于执行状态，故应先中断处理机和保存该进程的CPU现场。然后将被阻塞进程置“阻塞”状态后插入等待队列中，再转进程调度程序选择新的就绪进程投入运行。这里，转进程调度程序是很重要的，否则，处理机将会出现空转而浪费资源。,图 2.6 阻塞原语图,2.2.5进程的唤醒,当等待队列中的进程所等待的事件发生时，等待该事件的所有进程都将被唤醒。唤醒一个进程有两种方法：一种是由系统进程唤醒。另一种是由事件发生进程唤醒。当由系统进程唤醒等待进程时，系统进程统一控制事件的发生并将“事件发生”这一消息通知等待进程。从而使得该进程因等待事件已发生而进入就绪队列。由事件发生进程唤醒时，事件发生进程和被唤醒进程之间是合作关系。,因此，唤醒原语既可被系统进程调用，也可被事件发生进程调用。称调用唤醒原语的进程为唤醒进程。唤醒原语首先将被唤醒进程从相应的等待队列中摘下，将被唤醒进程置为就绪状态之后，送入就绪队列。当把被唤醒进程送入就绪队列之后，唤醒原语既可以返回原调用程序，也可以转向进程调度，以便让调度程序有机会选择一个合适的进程执行。,图 2.7 唤醒原语,2.2.6进程的挂起和激活,进程挂起:当出现了引起进程挂起的事件时，系统将利用挂起原语将处于阻塞状态的进程挂起。挂起原语的执行过程是，检查被挂起进程的状态，若正处于活动就绪状态，便将其改为静止就绪，对于活动阻塞状态的进程，则将其改为静止阻塞。为了方便用户或父进程考查该进程的运行情况，而把该进程的PCB复制到某指定的内存区域。最后，如被挂起的进程正在执行，则转调试程序重新调度。,进程的激活过程 :当发生激活进程的事件时， 若进程驻留在外存而内存已有足够的空间，则可将在外存上处于静止就绪状态的进程换入内存。这时，系统将利用激活原语将指定进程激活。激活原主先将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态，若是静止就绪便将其改为活动就绪，若为静止阻塞便将其改为活动阻塞。假如采用的是抢占调度策略，则每当有新进程进入就绪队列时，应检查是否要进行重新调度，即由调度程序将被激活进程与当前进程进行优先级的比较，如果被激活进程的优先级更低，就不必重新调度，否则立即剥夺当前进程的运行，把处理机分配给刚被激活的进程。,2.3进程互斥、同步和通信,进程的同步 进程的互斥 信号量和P、V操作 进程通信,2.3.1进程的同步,把异步环境下的一组并发进程，因直接制约而互相发送消息进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。具有同步关系的一组并发进程称为合作进程，合作进程间互相发送的信号称为消息或事件。,2.3.2进程的互斥,资源共享所引起的制约 临界区是由属于不同并发进程的程序段共享公用数据或公用数据变量而引起的，临界区不可能用增加硬件的方法来解决。因此，临界区也可以被称为访问公用数据的那段程序。 间接制约 :把这种由于共享某一公有资源而引起的在临界区内不允许并发进程交叉执行的现象，称为由共享公有资源而造成的对并发进程执行速度的间接制约，简称间接制约。,互斥：一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致它们必须以一个不允许交叉执行的单位执行。也就是说，不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区称为互斥。 一组并发进程互斥执行时必须满足如下准则： (1) 不能假设各并发进程的相对执行速度。即各并发进程享有平等的、独立的竞争共有资源的权利，且在不采取任何措施的条件下，在临界区内任一指令结束时，其他并发进程可以进入临界区 (2) 并发进程中的某个进程不在临界区时，它不阻止其他进程进入临界区。,(3) 并发进程中的若干个进程申请进入临界区时，只能允许一个进程进入。 (4) 并发进程中的某个进程申请进入临界区时开始，应在有限时间内得以进入临界区。 互斥的加锁实现 当某个进程进入临界区之后，它将锁上临界区，直到它退出临界区时为止。并发进程在申请进入临界区时，首先测试该临界区是否是上锁的。如果该临界区已被锁住，则该进程要等到该临界区开锁之后才有可能获得临界区。,2.3.3信号量和P、V操作,信号是铁路交通管理中的一种常用设备，交通管理人员利用信号颜色的变化来实现交通管理。在操作系统中，信号量sem是一整数。在sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。显然，用于互斥的信号量sem的初值应该大于零，而建立一个信号量必须经过说明所建信号量所代表的意义，和赋初值以及建立相应的数据结构以便指向那些等待使用该临界区的进程。,信号量的数值仅能由，原语操作改变.采用，原语，可以把类名为的临界区描述为When do (sem)临界区(sem)od。 原语操作的主要动作是： sem减 1； 若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行； 若sem减1后小于零，则该进程被阻塞在与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。 原语的操作主要动作是： sem加1； 若相加结果大于零，进程继续执行； 若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。,私用信号量:一般来说，也可以把各进程之间发送的消息作为信号量看待。与进程互斥时不同的是，这里的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关。因此，称该信号量为私用信号量 用，原语操作实现同步 有了私用信号量的概念，可以使用，原语操作实现进程间的同步。利用，原语实现进程同步的方法与利用wait和signal过程时相同，也是分为三步。首先为各并发进程设置私用信号量，然后为私用信号量赋初值，最后利用，原语和私用信号量规定各进程的执行顺序。,用，原语实现进程互斥 设信号量sem是用于互斥的信号量，且其初值为1表示没有并发进程使用该临界区。显然，由上面几节的讨论可知，只要把临界区置于(sem)和(sem)之间，即可实现进程间的互斥。当一个进程想要进入临界区时，它必须先执行原语操作以将信号量sem减1。在一个进程完成对临界区的操作之后，它必须执行原语操作以释放它所占用的临界区。,2.3.4进程通信,在单机系统中，进程间通信可分为4种形式： 主从式 会话式 消息或邮箱机制 共享存储区方式,消息缓冲机制 发送进程和接收进程采用消息缓冲机制进行数据传送时，发送进程在发送消息前，先在自己的内存空间设置一个发送区，把欲发送的消息填入其中，然后再用发送过程将其发送出去。接收进程则在接收消息之前，在自己的内存空间内设置相应的接收区，然后用接收过程接收消息。由于消息缓冲机制中所使用的缓冲区为公用缓冲区，使用消息缓冲机制传送数据时，两通信进程必须满足如下条件：,在发送进程把消息写入缓冲区和把缓冲区挂入消息队列时，应禁止其他进程对该缓冲区消息队列的访问。否则，将引起消息队列的混乱。同理，当接收进程正从消息队列中取消息缓冲时，也应禁止其他进程对该队列的访问。 当缓冲区中无消息存在时，接收进程不能接收到任何消息。 至于发送进程是否可以发送消息，则由发送进程是否申请到缓冲区决定。,邮箱通信就是由发送进程申请建立一与接收进程链接的邮箱。发送进程把消息送往邮箱，接收进程从邮箱中取出消息，从而完成进程间信息交换。设置邮箱的最大好处就是发送进程和接收进程之间没有处理时间上的限制。一个邮箱可考虑成发送进程与接收进程之间的大小固定的私有数据结构，它不像缓冲区那样被系统内所有进程共享。邮箱由邮箱头和邮箱体组成。其中邮箱头描述邮箱名称、邮箱大小、邮箱方向以及拥有该邮箱的进程名等。邮箱体主要用来存放消息，如图2.14所示。,图 2.14 邮箱通信结构,2.4进程调度,进程调度的基本概念 进程调度的类型 进程调度的算法,进程高度的基本概念 在进程状态的变化中，从就绪到运行的转变是由一个专门的程序来完成的，该程序称为进程调度程序。 进程调度程序的具体功能如下： 记录系统中所有进程的状态、优先数和资源需求情况 确定调度算法和调度方式 分配处理器给某进程，完成处理器的切换,进程调度的类型 进程调度亦可称为处理机调度，它协调和控制各进程对CPU的使用。一般来说，处理机调度可以分为4级： 作业调度：又称宏观调度，或高级调度。其主要任务是按一定的原则对外存输入井上的大量后备作业进行选择，给选出的作业分配内存、输入输出设备等必要的资源，并建立相应的进程，以使该作业的进程获得竞争处理机的权利。另外，当该作业执行完毕时，还负责回收系统资源。,交换调度：又称中级调度。其主要任务是按照给定的原则和策略，将处于外存交换区中的就绪状态或就绪等待状态的进程调入内存，或把处于内存就绪状态或内存等待状态的进程交换到外存交换区。交换调度主要涉及到内存管理与扩充。 进程调度：又称微观调度或低级调度。其主要任务是按照某种策略和方法选取一个处于就绪状态的进程占用处理机。在确定了占用处理机的进程后，系统必须进行进程上下文切换以建立与占用处理机进程相适应的执行环境。 线程调度。,图 2.17 作业的状态及其转换,进程调度算法,先来先服务（FCFS）调度算法 轮转法（round robin） 多级反馈轮转法 优先级法 最短作业优先法（shortest job first） 最高响应比优先法（highest responseratio next）,2.5死锁,死锁的概述 死锁的处理,2.5.1死锁的概述 死锁的定义:是指各并发进程彼此互相等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方的资源之前不会释放自己所拥有的资源。从而造成大家都想得到资源而又都得不到资源，各并发进程不能继续向前推进的状态。,图 2.21 死锁的概念,死锁的起因 死锁的起因是并发进程的资源竞争。产生死锁的根本原因在于系统提供的资源个数少于并发进程所要求的该类资源数。显然，由于资源的有限性，不可能为所有要求资源的进程无限制地提供资源。但是，可以采用适当的资源分配算法，以达到消除死锁的目的。为此，先看看产生死锁的必要条件。,产生死锁的必要条件 互斥条件。并发进程所要求和占有的资源是不能同时被两个以上进程使用或操作的，进程对它所需要的资源进行排他性控制。 不剥夺条件。进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行剥夺，而只能由获得该资源的进程自己释放。 部分分配。进程每次申请它所需要的一部分资源，在等待新资源的同时继续占用已分配到的资源。 环路条件。存在一种进程循环链，链中每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。 显然，只要使上述4个必要条件中的某一个不满足，则死锁就可以排除。,2.5.2死锁的处理,死锁预防 一种方法是打破资源的互斥和不可剥夺这两个条件，这种方法不能解决访问那些不允许被同时访问的资源时所带来的死锁问题。 另一种方法则是打破资源的部分分配这个死锁产生的必要条件。即预先分配各并发进程所需要的全部资源。,死锁避免的一种基本模式是把进程分为多个步，其中每个步所使用的资源是固定的，且在一个步内，进程所保持的资源数不变。即进程的资源请求、使用与释放要依靠不同的步完成。 死锁的检测和恢复 当进程进行资源请求时死锁检测算法检查并发进程组
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