操作系统引论.doc

第一章 操作系统引论一、 什么是操作系统操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。解释：资源的概念 被计算机系统工作时所引用的一切客体都称为资源。这里所说的客体可能是处理机、设备、内存、外存等硬件，也可能是程序、数据、信息等软件。为了资源可以被引用，资源都有名字。控制资源的使用，有两条资源管理命令：申请资源和释放资源。我们约定：申请命令在程序使用资源前发出，如果所申请的资源可以使用，则程序可立即得到该资源的使用权，称为程序占有该资源或把这个资源分配给申请它的程序。释放命令在程序使用资源后发出，表示程序放弃对于资源的使用权，称为程序释放该资源或把这个资源由占有它的程序处收回。操作系统需要管理的资源一般多是下面三种类型：单一资源-由一个资源实体组成的资源。如一台打字机、一台处理机等。根据单一资源被占用的情况，分为“空闲”和“工作”两个状态。有限资源-由若干个相同的单一资源组成的资源集合。它的使用限制与集合中元素的个数有关，它可以被多次占用，也可以被不同的程序同时占用。如内存是由多个单一资源即单元构成的，是有限资源。无穷资源-由无限多个相同单一资源组成的资源集合。如果有限资源中的元素个数多到充分够用，可以看作由无穷多个单一资源所组成。如当内存的容量无限大时，可以看成是无穷资源。二、 操作系统的主要功能操作系统主要有五大功能：存储器管理内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充。处理机管理作业和进程调度、进程控制和进程通信。设备管理缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。文件管理文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。用户界面管理命令界面、程序界面和图形界面。三、 操作系统的特征操作系统的特征就是：并发、共享、异步性。其中，并发是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行，注意，这是一个宏观上的概念。共享是指计算机系统中的资源被多个任务使用，例如共享内存、打印机等。异步与同步的概念相反，表示各程序在执行过程中“走走停停”的性质。四、 操作系统的类型一般来说，把操作系统分为如下几个类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络操作系统和分布式操作系统。其中前三种是操作系统的常用分类，随着个人计算机时代的到来，以及计算机技术与通信技术的结合，才形成了个人机系统和网络操作系统，而分布式操作系统是比网络操作系统层次更高的操作系统，它使得网络用户在使用网络资源时，不需了解网上资源的位置，如同使用本地资源一样方便、快捷，这是分布式操作系统与网络操作系统的根本差别。这一节要弄清“分时”和“实时”的概念，分时系统和实时系统的使用特点及应用领域。五、 操作系统的用户界面操作系统的用户界面是操作系统与使用者的接口，现代操作系统通常提供三种界面：命令界面、图形界面和系统调用界面以UNIX操作系统为例，它提供了上述三种用户界面。UNIX命令的格式： 命令名 选项 参数例如：$ ls l /user 命令中，ls是命令名（列文件目录），l为一个选项(表示以长格式显示)，/user为一个参数（表示显示user下的文件）。SCO UNIX的图形界面，请参考教材28页。系统调用是操作系统内核与用户程序、应用程序之间的接口。在UNIX系统中，系统调用以C函数的形式出现的。它只能在C程序中使用，不能做为命令在终端输入。六、 操作系统的发展历程计算机从诞生至今的50多年里，计算机操作系统从无到有，经历了手工操作阶段、早期批处理阶段、多道批处理阶段，进而形成了分时、实时、个人机、网络、分布式以及多处理器等多个种类的操作系统。这里要知道“批处理”、“多道”的含义，理解其设计思想。七、 操作系统的体系结构操作系统是一个系统软件，为各种应用程序提供服务。这样一个大软件，它的结构一般有三种：单块结构、层次结构和微内核结构。八、教学要求(1) 牢固掌握操作系统的定义：操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。记忆要点：操作系统是什么是核心系统软件； 操作系统管什么控制和管理系统内各种资源； 操作系统有何用扩充硬件功能，方便用户使用。(2) 牢固掌握操作系统的五大主要功能：存储器管理、处理机管理、设备管理、文件管理、用户接口管理。(3) 清楚地了解操作系统所处的地位：是裸机之上的第一层软件，是建立其他所有软件的基础。(4) 记住操作系统的基本特征：并发、共享和异步性。理解模拟：并发“大家都前进了”； 共享“一件东西大家用”； 异步性“你走我停”。(5) 记住并理解操作系统的主要类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统。UNIX系统是著名的分时系统。(6) 理解分时概念：主要是指若干并发程序对CPU时间的共享。(7) 记住并明白UNIX命令行的一般格式：命令名选项 参数(8) 了解现代操作系统为用户提供的三种使用界面：命令界面、图形界面和系统调用界面。(9) 了解分时系统和实时系统的特点。第二章 进程管理一、 进程的概念进程是操作系统最基本的概念之一，引入这个概念，对于我们理解、描述和设计操作系统具有重要意义。这里我们把进程定义为：程序在并发环境中的执行过程。这里要注意进程与程序的关系，认识到它们是完全不同的概念，同时又有密切的联系。进程基本的五大特征是动态性、并发性、调度性、异步性和结构性。二、 进程的状态及其转换进程执行时的间断性决定了进程可能具有多种状态，事实上，运行的进程有三种基本状态：运行态：进程分配到必要的资源，在处理机上执行时的状态。就绪态：进程分配到必要的资源，还没有获得在处理机上执行的状态。阻塞态：或称等待态，进程的执行受到了阻塞而处于暂停状态。进程的动态性质决定了进程的状态不是固定的，它随着自身的推进和外界条件的变化而不断变化。进程状态之间的转换主要体现为：就绪进程被调度进入运行态，运行状态受阻塞转入阻塞状态，阻塞状态在阻塞消除后进入就绪状态等待调度，不能直接返回运行状态。在分时系统中，当时间片到期，正在执行的进程返回到就绪状态等待下一次调度。进程状态及其转换图见教材44页图2-6。三、 进程的同步与互斥进程的同步与互斥是指进程在推进时的相互制约关系。在多道程序系统中，由于资源共享与进程合作，这种进程间的制约称为可能。为了保证进程的正确运行以及相互合作的进程之间交换信息，需要进程之间的通信。进程之间的制约关系体现为：进程的同步和互斥。进程同步：它主要源于进程合作，是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。为进程之间的直接制约关系。在多道环境下，这种进程间在执行次序上的协调是必不可少的。进程互斥：它主要源于资源共享，是进程之间的间接制约关系。在多道系统中，每次只允许一个进程访问的资源称为临界资源，进程互斥就是保证每次只有一个进程使用临界资源。临界资源和临界区：一次只允许一个进程使用的共享资源称为临界资源，如打印机、公共变量等；而在每个进程中访问临界资源的程序段称为临界区。进程进入临界区要满足一定的条件，以保证临界资源的安全使用，系统的正常运行。四、 多道程序设计进程之间的制约关系是由于多道程序设计带来的，什么是多道程序设计呢？多道程序设计是在一台计算机上同时运行两个或更多个程序。多道程序打破了单道程序“闭关自守”的局面，计算机系统中的软、硬件资源为几道程序所共享，使得整个系统进入并发执行状态。多道程序设计思想带来了进程的同步和互斥等通信问题，同时也提高了系统资源利用率，增加了作业的吞吐量。五、 进程的组成进程通常由程序、程序所需数据和进程控制块（PCB）三部分组成。如45页图2-7。PCB描述进程的执行情况。它与进程共存亡：创建进程、产生PCB、撤消进程、系统回收PCB。它包含进程的描述信息和控制信息，例如进程名、特征信息、进程状态信息、调度优先权、通信信息、中断现场保护、程序和数据地址等等。PCB是进程存在的唯一标志。也是系统管理和控制进程的依据。六、 进程管理的基本命令进程的管理主要包括创建进程、撤消进程、挂起进程、恢复进程、改变进程优先级、封锁进程、唤醒进程、调度进程等。在UNIX系统中，进程的状态分为10种。相关的基本命令有：ps检查系统中当前存在的进程的状态。sleep使进程暂停执行一段时间（参数单位为秒）。&使键入的命令进入后台运行。wait等待后台进程结束。kill终止一个进程的运行。nice以不同的优先级执行一条命令。七、 信号量和P、V操作在多道系统中，信号量机制是一种有效的实现进程同步与互斥的工具。信号量的值表示系统中某类资源的数目。若它大于0，则表示系统中当前可用资源的数量；若它小于0，表示系统中等待使用该资源的进程数目，即在该信号量队列上排队的PCB的个数。信号量的值是可变的，由P、V操作来改变。PV操作是对信号量进行处理的操作过程，而且信号量只能由P、V操作来改变。P操作是对信号量减1，意味着请求系统分配一个单位资源，若系统无可用资源，则现进程变为阻塞状态。V操作是对信号量加1，意味着释放一个单位资源，加1后若信号量小于等于零，则从就绪对列中唤醒一个进程，执行V操作的进程继续执行。同步和互斥都可以通过P、V操作来实现，而生产者-消费者问题则是它们的结合点。具体实现见教材64页。八、 进程间的通信进程通信是指进程间的信息交换。P、V操作做为进程的同步与互斥工具因信息交换量少，效率太低，称为低级通信。而高级通信则以较高的效率传送大批数据。高级通信方式主要有：共享存储器、消息传递和管道文件。九、教学要求(1) 理解多道程序设计概念及其优点；(2) 牢固掌握进程的概念程序在并发环境中的执行过程。(3) 深入理解进程最基本的属性是动态性和并发性。(4) 掌握进程与程序的主要区别。(5) 掌握进程的基本状态：运行态、就绪态、阻塞态。在什么条件下发生状态转换？(6) 理解进程的一般组成，应深入理解进程控制块的作用。每个进程有惟一的进程控制块。(7) 掌握进程同步与互斥的概念。简单理解：同步是伙伴，互斥是竞争。(8) 掌握进程临界资源和临界区的概念，理解进入临界区的原则。(9)