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第3章操作系统 第3章操作系统 3 1操作系统的发展3 2操作系统的结构3 3现代操作系统处理的难题3 4网络操作系统和分布式操作系统 操作系统的发展 1 串行处理所谓的编程全部采用机器语言实现 一个程序要运行 要先制作穿孔卡片 从装配到运行整个过程计算机处于被独占状态采用排队预约机时的方法调度准备时间远远大于程序的真正运行的时间 操作系统的发展 2 简单批处理监控程序 操作系统的发展 3 多道批处理相对于处理器来说 计算机的I O设备的速度太慢 简单批处理系统的CPU利用率依然很低硬件条件 主存容量大幅提高I O设备DMA DirectMemoryAccess 通道可代替CPU管理大量数据交换中断驱动的I O设备计算机体系结构也由以中央处理器为中心的结构改变为以主存为中心 操作系统的发展 4 操作系统的发展 5 操作系统的发展 6 操作系统的发展 7 分时系统20世纪60年代 大多数的计算机非常庞大且昂贵 人们希望能使多个用户通过多个终端同时交互使用系统而开发了分时系统 TimeSharingSystem 批处理和分时系统都使用了多道程序设计 但两种系统的设计目标是不同的 多道批处理系统追求最有效的使用处理器 而分时系统追求的是给每个用户尽可能快的响应速度在分时系统中 多个用户通过终端同时访问系统 由操作系统控制每个用户的程序以很短的时间片为单位交替执行 操作系统的发展 8 实时系统 RealTimeOperatingSystem RTOS 多道程序系统可能同时启动或多或少的程序 各个程序也可能千差万别 因此在系统中的每一道程序的运行过程实际是无法预测的RTOS设计目标 对外部请求能在严格的时限内作出响应 有高可靠性和完整性硬实时任务 HardReal timeTask 软实时任务 SoftReal timeTask 操作系统的功能 操作系统作为虚拟机从用户的角度来看 操作系统为用户提供了简单和高度抽象的编程和操作界面操作系统作为资源管理器从系统角度看 操作系统有效管理着系统的各部分资源 起着资源管理器的作用 操作系统的组成 外壳 Shell GUI GraphicsUserInterface MS DOS命令行方式UNIX BorneShell CShell和KornShell内核 Kernel 文件管理器 设备驱动程序 DeviceDrivers 存储器管理器 MemoryManager 调度和分派程序 SchedulerandDispatcher 系统的引导 现代操作系统处理的难题 1 进程 Process 对正在运行的程序的抽象一个进程至少包括三部分内容 一段可执行的程序程序的相关数据 变量 工作空间和缓冲区等程序执行的上下文环境 即进程的状态程序是个静态的概念 仅仅包含描述算法的代码 而进程是个动态的概念 是一个运行程序的抽象 包含了程序代码 数据和程序运行的状态 第几步 暂停还是执行等 等信息 现代操作系统处理的难题 2 进程 Process 进程切换需要一定的机制进程可以有几个不同的状态三状态模型 就绪 运行 阻塞 现代操作系统处理的难题 3 进程 Process 五状态模型 新建 就绪 运行 阻塞和退出 六状态模型 增加挂起状态 将长时间阻塞的进程交换到外存上节约主存空间 七状态模型 增加阻塞 挂起和就绪 挂起两种挂起状态 现代操作系统处理的难题 4 有效的分配处理器 调度策略先来先服务策略 first come first served FCFS 循环策略 Round Robin 最短进程优先策略 ShortestProcessNext SPN 剩余时间最短优先策略 ShortestRemainingTime SRT 最高相应比进程优先策略 HighestResponseRatioNext HRRN 现代操作系统处理的难题 4 调度策略示例 现代操作系统处理的难题 5 存储器的有效利用固定分区相等大小分区大小不等分区内部碎片 InternalFragmentation 现代操作系统处理的难题 6 存储器的有效利用动态分区外部碎片 ExternalFragmentation 现代操作系统处理的难题 6 存储器的有效利用分页页帧 Frame 页 Page 页表 PageTable 分段段 Segment 段表 SegmentTable 分段和分页结合 现代操作系统处理的难题 6 存储器的拓展 虚拟存储器局部性原理 PrincipleofLocality 虚拟存储器思想每个进程的运行不需要整体加载 进程本身的大小就不必受限于系统内存的大小 系统内存可容纳的活跃进程的数目可以大大增加 提高处理器的利用率 现代操作系统处理的难题 6 存储器的拓展 虚拟存储器发生页失配时 需要从外存中调入失配页导致进程被阻塞而调度另外的进程调入新的页则意味着要有一个页被替换最优算法 Optimal OPT 最近最少使用算法 LeastRecentlyUsed LRU 先进先出算法 FirstInFirstOut FIFO 时钟算法 Clock 现代操作系统处理的难题 6 I O设备 高效并通用系统性能的瓶颈两大类I O设备 块设备 BlockDevices 字符设备 CharacterDevices 措施操作系统提供缓冲区以提高效率操作系统用层次化 模块化的方法设计I O功能以实现通用性 即所谓设备无关性 现代操作系统处理的难题 6 并发控制的难题并发 Concurrency 多道程序技术 多处理 Multiprocessing 技术和分布式处理 DistributedProcessing 技术的共同问题 并发控制是操作系统设计的基础 也是操作系统课程的核心内容临界资源互斥 MutualExclusion 死锁 Deadlock 和饥饿 Starvation 现代操作系统处理的难题 6 哲学家共餐 DiningPhilosopher 问题哲学家的生活进程 1 思考问题 2 饿了 停止思考 左手拿一只叉子 如果左侧哲学家已持有它则需等待 3 右手拿一只叉子 如果右侧哲学家已持有它则需等待 4 进餐 5 放右手叉子 6 放左手叉子 7 重新回到思考问题状态1死锁和饥饿 现代操作系统处理的难题 6 没有彻底解决死锁问题的方法死锁预防死锁避免检测并解除死锁其他IPC问题读者写者问题 Reader WriterProblem 理发师睡眠问题 SleepingBarberProblem 网络操作系统和分布式操作系统 计算的需求催生了计算机的发明通讯和资源共享的需求又催生了计算机网络的产生和发展分布协同处理和廉价的高性能计算的需求推动了集群的出现 网络操作系统 1 计算机网络第一代网络 面向终端的远程联机系统第二代网络 以通信子网为中心的计算机通信网第三代网络 遵循国际标准化网络体系结构的计算机网络第四代网络 宽带综合业务数字网因特网 Internet 阿帕网 ARPANET 的诞生 1969 以太网 Ethernet 的出现 1973 因特网 Internet 的产生 1989 网络操作系统 2 网络协议 网络操作系统 2 计算机网络的设计目的实现通信和资源共享提供全局文件系统 实现资源共享提供认证管理 避免非法篡改和拷贝提供用于