计算机科学导论(第2版)第4章 操作系统

计算机科学导论 学习计算机专业的第一门基础课程 本章要点： 操作系统概念 操作系统的发展历史 操作系统的功能 操作系统的分类 操作系统的一些基本概念及组成 操作系统的体系结构 常用主流操作系统 操作系统的新发展 操作系统概念 “操作系统就是合理管理并控制计算机系统内各种软、硬件资源，并能够合理组织工作流程、方便用户使用的程序的集合”。 例如： 操作系统概念 操作系统是紧邻硬件的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，任何一台计算机都必须在其硬件平台上加载相应的操作系统之后，才能构成一个可以正常运转的计算机系统。 物理设备 操作系统 编译程序编辑程序 D B M S 银行应用 系统 飞机票预定系统 浏览器 操作系统概念 (1) 系统加电，处理器复位，查找含有启动指令的 (2) (3) 将自检结果与中系统配置信息相比较。 (4) 如果自检成功， 执行引导块程序对操作系统核心进行引导，操作系统核心进入内存后即接管系统，继续系统的初始化等工作。 (5) 操作系统根据系统配置信息，执行并启动一些系统程序，完成整个系统的启动。 作系统的历史 输入 /输出设备之间串行工作，系统资源利用率低，计算机系统的可靠性也低。 具有较大的吞吐量、较高的资源利用率，但缺乏交互力。 资源利用率得到了更大的提高。分时系统则更是进一步提高了系统资源利用率，同时还具有及时的交互性。 强大的系统资源管理功能、丰富的应用程序、种类繁多的应用开发平台、友好的图形用户界面。 作系统的功能 处理机管理 解决何时为多用户、多任务分配 样在多个任务之间进行调度、何时让任务等待等问题，不同的系统，在调度策略上会根据调度目标的不同而有所不同。 存储管理 内存分配 ，内存保护 ，虚拟存储 ，地址映射 。 I/ 记录设备状态，设备分配，缓冲功能，设备独立性功能。 文件管理 逻辑结构，物理结构，存取方式，方便的操作，目录管理，安全，可靠性，共享等。 作系统的功能 屏蔽计算机系统硬件，提供给用户简单的使用系统或请求系统服务的接口 交互式接口： 命令接口， 程序级接口： 系统调用 作系统的功能 常用的网络操作系统有 T、 络操作系统除具有一般操作系统的功能外，还应该具有以下功能： 网络通信 网络资源管理 网络服务 网络管理 互操作 作系统的分类 主要特点是系统吞吐量大、系统资源利用率较高、平均作业周转时间(作业从提交到结果输出的时间 )较长，系统无交互力。 较好的交互性；同时，系统资源利用率也得到了很大的提高 。 具有事件驱动的特点，往往是由外部事件来触发系统的响应；有实时性和高可靠性的要求。 作系统的分类 组成网络的各台计算机物理分散且高度自治，各计算机都有各自的软、硬件资源，系统的主要目的是共享网络资源、信息交换和协作。 具有普通计算机具有的通常功能，但同时具有实时系统的特征，通常是更小的具有一定硬件控制功能的系统。 些基本概念及组成 并发 ： 并发通常指多个任务可以在同一个时间段内同时执行，即允许多个任务在宏观上并行，微观上仍然串行 操作系统内核 (1) 处理机的工作状态：用户态，核心态 (2) 操作系统内核 ： 操作系统在核心态下运行的部分 些基本概念及组成 进程与线程 (1) 进程 ： 正在执行中的程序。 (2) 线程 ： 也称为轻量级进程，它是进程内更小的执行单位。 死锁：多个进程同时处于永久的相互等待的状态。 地址空间 (1) 物理空间 ： 物理内存的连续的物理单元隔成物理地址，物理 地址的集合即为物理空间 。 (2) 逻辑空间 ： 进程的逻辑地址的集合，这个地址的开始值通常 为 0，一直到某个最大值。 些基本概念及组成 I/ (1) 字符设备 ： 以字符为单位发送或接收一个字符流。 (2) 块设备 ： 信息存放在固定大小的块中，这些块有自己的地址 。 文件 (1) 文件： 可以长期保存在外存中的、被赋名了的、信息单元的集合 (2) 目录：目录是一些目录项的列表，每个目录项一般含有文件名，以及文件控制说明信息 (或文件的索引节点号 )。 些基本概念及组成 操作系统 存储管理 进程管理 设备管理 文件系统 用户接口 些基本概念及组成 用户接口 (1) 命令接口 ： 在终端提示符的命令行输入命令，并在提示符下返回命令的响应 。 (2) 系统调用 ： 信息存放在固定大小的块中，这些块有自己的地址 。 系统调用 陷入 用户空间 核心空 间 些基本概念及组成 进程管理 (1) 进程的描述 ： 用进程控制块 (描述一个进程 。 (2) 进程的状态 ： 三个最基本的状态：运行态、就绪态、阻塞态。 运行态 就绪态 阻塞态 些基本概念及组成 (3) 进程调度 ： 不同的系统会采用不同的调度算法 。 (4) 进程通信 ： 包括进程的同步与互斥、管道通信、 共享内存、消息队列 、 网络通信。 些基本概念及组成 存储管理(1) 单一分区 ： 整个内存除了操作系统外，另外的内存空间只分配给一个进程使用 。 (2) 多分区 ： 内存除操作系统之外的空间划分成多个分区 。 用户进程 3 用户进程 操作系统 操作系统 用户进程 1 用户进程 2 单一分区 多分区 些基本概念及组成 (3) 分页存储管理 ： 将用户进程空间划分为一些大小相同的称之为“页”的单位，物理内存也划分为与“页”的大小相同的一些“块”。 3 2 1 0 进程空间 物理空间 些基本概念及组成 (4) 分段 ： 进程的虚空间按照逻辑性来加以划分，可以分为程序段、数据段、堆栈段等，然后利用动态多分区存储管理的方式进行内存管理。 (5) 段页 ： 分页与分段方式结合 。进程划分成固定的段，在段内再分页，这样，最小的逻辑空间单位仍然是页；而对于物理空间的管理则就采用分页管理方式中的“块”管理即可。 些基本概念及组成 I/ (1) 中断 ： 设备完成输入 /输出后，如何通知系统、以便于进程的下一步执行呢？这就要借助于中断。 外设 产生中断 些基本概念及组成 (2) I/： I/ 中断处理程序 驱动程序 设备无关软件层 用户层 I/些基本概念及组成 文件系统 (1) 文件命名 ： 对文件的访问都是通过文件名进行 。 (2) 文件属性 ： 常见的文件属性有：文件创建者、创建时间、文件大小、 最近一次修改时间、最近一次存取时间、口令、各种文件 标志等等。 (3) 文件操作 ： 创建、删除、打开、关闭、读、写、文件定位、重命名 。 (4) 文件逻辑结构 ： 无结构的字节序列 、有结构的记录式文件 。 (5) 文件的存取方式 ： 顺序存取、随机存取 。 (6) 文件的物理结构 ： 连续文件、链接文件、索引文件 。 些基本概念及组成 文件目录管理(1) 路径名 ： 绝对路径名 ， 它由经过根目录到文件所在的子目录的所有的目录名的组合再加上文件名本身构成，各个目录或文件间用“ /”或“ ”分隔。如 / 相对路径 ， 它常与工作目录一起使用。工作目录可以由用户指定，如果未指定，通常就指的就是当前目录。 (2) 目录的操作 ：创建、删除、打开、关闭、读、重命名、链接、取消链接。 作系统体系结构 整体结构 实质上是没有结构，整个操作系统由若干的具有一定独立功能的过程组成，过程和过程之间可以根据需要按事先定义的接口相互进行调用。 整体结构 操作系统按一定的功能模块分层组织，下一层是相邻上一层的基础，层与层之间有严格的接口定义，只在相邻层之间发生交互。 作系统体系结构 虚拟机结构 它以运行在裸机上的核心软件 (虚拟机监控软件或某一种操作系统 )为基础，向上提供虚拟机的功能，每个虚拟机都像是裸机硬件的复制。 微内核结构 尽量减小运行于核心态下的内核，将操作系统的一些传统功能作为服务器进程在用户态下运行，内核更多的是在多个服务器进程间以及用户进程与服务器进程间进行消息传递。 流操作系统简介 (1) 发展历史 (2) 特点：统一的窗口和操作风格 、丰富的应用程序与应用开发工具 、事件驱动程序的运行方式 、多任务的图形化用户界面 、支持网络及多媒体技术 ，提供丰富的应用程序接口 、广泛的硬件支持 。 流操作系统简介 (1) 发展历史 (2) 特点：多用户、多任务、分时，友好的用户接口 ，可装卸的树型结构文件系统 ，设备文件化 ，较强的可移植性 。 流操作系统简介 (1) 发展历史 (2) 特点：友好的用户接口 ，超强的可移植性 ， 模块化设计的开源软件 ，强大的通信及网络功能 ，强大的健壮性 。 作系统的新发展