操作系统_01_引论

1、操作系统李玉娟信息工程学院计算机工程教研室liyujuan_136054879322课程简介n课程特点：课程特点：概念多、原理性强、较抽象概念多、原理性强、较抽象; n课程学习目的：课程学习目的：核心基础课，有利于对计算机系统的核心基础课，有利于对计算机系统的理解和软件开发理解和软件开发n学习方法：学习方法：问题驱动学习、阅读参考书、多思考；连问题驱动学习、阅读参考书、多思考；连贯前后章节、自我总结所学知识贯前后章节、自我总结所学知识n课程学习难点：概念、原理、算法、数据结构课程学习难点：概念、原理、算法、数据结构n课程要求：课程要求：安排预习复习；按时上课听讲；及时提交安排预习复习；按时上课

2、听讲；及时提交作业；旷课累计超过作业；旷课累计超过3次，取消平时成绩次，取消平时成绩n学时安排：学时安排：理论理论64学时，实验学时，实验8学时学时n成绩：成绩：考试考试80，平时，平时20（考勤（考勤+提问提问+作业）作业）3参考书目及网上资源参考书目及网上资源 1）操作系统精髓与设计原理）操作系统精髓与设计原理 机械工业出版社机械工业出版社2）操作系统概念）操作系统概念 高等教育出版社高等教育出版社1）中山大学操作系统网络课程：）中山大学操作系统网络课程： http:/i- http:/ 操作系统引论操作系统引论n第二章第二章 进程管理进程管理n第三章第三章 处理机调度与死锁处理机调度与死

3、锁n第四章第四章 存储器管理存储器管理n第五章第五章 设备管理设备管理n第六章第六章 文件管理文件管理进程管理进程管理硬件管理硬件管理软件管理软件管理5第一章第一章操作系统引论操作系统引论6本章要点本章要点n计算机系统结构：了解操作系统的地位计算机系统结构：了解操作系统的地位n什么是操作系统：四种基本观点什么是操作系统：四种基本观点n现代操作系统的特征、功能、类型现代操作系统的特征、功能、类型n基本概念：批处理、多道程序设计、作业、基本概念：批处理、多道程序设计、作业、任务、进程与线程、接口、虚拟存储、文件任务、进程与线程、接口、虚拟存储、文件71.1 OS的目标和作用的目标和作用主要内容：主

4、要内容：一、计算机系统资源分类一、计算机系统资源分类二、什么是操作系统二、什么是操作系统三、三、 操作系统的目标操作系统的目标四、四、 推动操作系统发展的动力推动操作系统发展的动力8n软件：系统软件（操作系统及实用程序）、应软件：系统软件（操作系统及实用程序）、应用软件用软件n硬件：处理机（硬件：处理机（CPU）、内存（条）、外部）、内存（条）、外部I/O设备（显示器、键盘、鼠标、打印机、磁设备（显示器、键盘、鼠标、打印机、磁盘、磁带、扫描仪盘、磁带、扫描仪），以及系统总线），以及系统总线一、计算机系统资源分类一、计算机系统资源分类9 计算机系统的层次计算机系统的层次用户用户1财务系统财务系统

5、 航空订票航空订票 上网浏览上网浏览 超市管理超市管理科学计算科学计算（应用程序）（应用程序）程序设计程序设计语言语言 语言处理语言处理程序程序 系统辅助系统辅助处理程序处理程序 数据库数据库管理程管理程序序操作系统操作系统计算机硬件计算机硬件（裸机）（裸机）用户用户2用户用户3用户用户4用户用户n（系统程序）（系统程序）10操作系统在计算机系统中的位置操作系统在计算机系统中的位置计算机硬件操作系统系统工具应用软件应用用户应用开发人员操作系统开发人员11二、什么是操作系统二、什么是操作系统n关于现代操作系统的四种基本观点关于现代操作系统的四种基本观点n从外部看操作系统从外部看操作系统 - 计算

6、机用户的观点：计算机用户的观点：用户环境观点用户环境观点 - 应用程序员的观点：应用程序员的观点：虚拟机器观点虚拟机器观点n从内部看操作系统从内部看操作系统 - OS开发者观点之一：开发者观点之一：资源管理观点资源管理观点 - OS开发者观点之二：开发者观点之二：作业组织观点作业组织观点12关于现代关于现代OS的四种基本观点之一的四种基本观点之一-用户环境观点用户环境观点n该观点认为，操作系统是计算机用户使用计算机该观点认为，操作系统是计算机用户使用计算机系统的接口，它为计算机用户提供了方便的工作系统的接口，它为计算机用户提供了方便的工作环境。环境。n计算机用户：终端用户、程序员和系统设计者计

7、算机用户：终端用户、程序员和系统设计者n操作系统提供的接口操作系统提供的接口 - 用户接口（用户接口（User Interface，也称为命令接口），也称为命令接口） - 程序接口（系统调用，也称为应用编程接口程序接口（系统调用，也称为应用编程接口, Application Programming Interface，简称，简称API） 13OS作为接口的示意图作为接口的示意图用用 户户应用程序应用程序系统调用系统调用 命令命令 图标、窗口图标、窗口操作系统操作系统计算机硬件计算机硬件14关于现代关于现代OS的四种基本观点之二的四种基本观点之二-虚拟机器观点虚拟机器观点n该观点认为，操作系统是

8、建立在计算机硬件该观点认为，操作系统是建立在计算机硬件平台上的平台上的虚拟机器虚拟机器，它为应用软件提供了许，它为应用软件提供了许多比计算机硬件功能更强或计算机硬件所没多比计算机硬件功能更强或计算机硬件所没有的功能。有的功能。n操作系统在虚拟机中充当管理员和协调员的操作系统在虚拟机中充当管理员和协调员的角色角色,管理计算机的软硬件资源管理计算机的软硬件资源,并协调多任务、并协调多任务、多进程的运行。多进程的运行。n扩充：功能、计算机数量扩充：功能、计算机数量15OSOS实现了对计算机资源的抽象实现了对计算机资源的抽象用户用户物理接口物理接口硬件硬件机器指令机器指令物理接口物理接口硬件硬件I/O

9、软件软件用户用户I/O操作命令操作命令（Read,Write）虚机器虚机器I/O软件隐藏了软件隐藏了I/O操作实现的细节操作实现的细节16关于现代关于现代OS的四种基本观点之三的四种基本观点之三-资源管理观点资源管理观点n该观点认为，操作系统是计算机系统中各类该观点认为，操作系统是计算机系统中各类资源的管理者，它负责分配、回收以及控制资源的管理者，它负责分配、回收以及控制系统中的各种软硬件资源。系统中的各种软硬件资源。n跟踪资源的使用状况、满足资源请求、提高跟踪资源的使用状况、满足资源请求、提高资源利用率资源利用率,以及协调各程序和用户对资源的以及协调各程序和用户对资源的使用冲突。使用冲突。

10、- 监视资源监视资源 - 分配分配/回收资源回收资源 - 保护资源保护资源 17关于现代关于现代OS的四种基本观点之四的四种基本观点之四-作业组织观点作业组织观点n该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织该观点认为，操作系统是计算机系统工作流程的组织者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行者，它负责协调在系统中运行的各个应用软件的运行次序。次序。n用于巨型机和大型服务器上，以批文件方式提交作业，用于巨型机和大型服务器上，以批文件方式提交作业，请求主机逐个运行。请求主机逐个运行。n主机操作系统负责组织、协调各个作业的运行，报告主机操作系统负责组织、协调各个作业的运行，报告执行结果或错

11、误信息。执行结果或错误信息。n减少了人工干预，提高了系统的效率。这种工作方式减少了人工干预，提高了系统的效率。这种工作方式有利于有效利用造价高且性能强大的主机资源。有利于有效利用造价高且性能强大的主机资源。18操作系统的定义操作系统的定义n操作系统是计算机系统中的一个操作系统是计算机系统中的一个系统软件系统软件,管管理和控制理和控制计算机系统中的硬件和软件资源计算机系统中的硬件和软件资源,合合理地理地组织组织计算机的工作流程计算机的工作流程,以便有效利用这以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境工作环境,从而在计算机与用户之间起到从而在

12、计算机与用户之间起到接口接口的作用。的作用。19目前流行的操作系统目前流行的操作系统nDOSnWindows 98/2000/XP/2003/windows 7/ Vista/windows 8 nUNIX(多用户多任务，分时操作系统多用户多任务，分时操作系统)nLinux（开放源码，类（开放源码，类Unix OS）nMVS（Multi-Video System街机用基板）街机用基板）nVxWorks（风河公司开发的实时操作系统）（风河公司开发的实时操作系统）nSymbianAndroid iOS(手机手机)nNetware （网络操作系统）（网络操作系统）20三、操作系统的目标三、操作系统的

13、目标n方便性方便性：编程，操作。编程，操作。n有效性有效性：提高资源利用率和提高资源利用率和系统吞吐量系统吞吐量。n可扩充性可扩充性：模块化，易于升级。模块化，易于升级。n开放性开放性：标准化标准化(OSI)，实现应用的移植和互，实现应用的移植和互操作。操作。 方便性方便性和和有效性有效性是设计操作系统时最重要的两是设计操作系统时最重要的两个目标。个目标。21四、四、 推动操作系统发展的动力推动操作系统发展的动力n不断提高计算机资源的利用率不断提高计算机资源的利用率n方便用户方便用户n器件的不断更新换代器件的不断更新换代n计算机硬件升级和新硬件的出现计算机硬件升级和新硬件的出现n更正软件错误更

14、正软件错误n计算机体系结构的不断发展计算机体系结构的不断发展n单处理机系统、多处理机系统、分布单处理机系统、多处理机系统、分布式系统、计算机网络式系统、计算机网络221.2 1.2 操作系统的发展过程操作系统的发展过程n操作系统发展是随着计算机硬件技术、操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用软件的发展而发展的。应用软件的发展而发展的。23计算机技术的发展史计算机技术的发展史第一代电子管计算机第一代电子管计算机 (1946-1957) (1946-1957) 第二代晶体管计算机第二代晶体管计算机 (1957-1964) (1957-1964) 第三代集成电路计算机第三代集成电路计算机 (1964

15、-1972) (1964-1972) 第四代大规模集成电路计算机第四代大规模集成电路计算机 (1972- (1972-现在现在) ) 24操作系统的发展史操作系统的发展史早期手工阶段早期手工阶段 1946-1957 （无操作系统）（无操作系统）单道批处理单道批处理 1958年前后年前后 多道程序系统多道程序系统 1965年前后年前后分时分时OS 1966年前后年前后 实时实时OS 1968年前后年前后 单用户单用户OS，网络，网络OS 20世纪世纪80年代年代 分布式分布式OS（多机（多机OS）、嵌入式）、嵌入式OS、智能、智能OS 20世纪世纪90年代年代 251.2.1 无操作系统的计算机

16、系统无操作系统的计算机系统n早期的电子数字计算机是由成千上万个电子早期的电子数字计算机是由成千上万个电子管组成管组成n操作和编程完全由操作和编程完全由手工进行手工进行,且编程只能用机且编程只能用机器语言器语言(二进制代码二进制代码) n程序员同时也是操作员在上机期间程序员同时也是操作员在上机期间独占整台独占整台计算机计算机及其它相关设备，效率非常低及其它相关设备，效率非常低261.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统n人工操作方式（串行处理）人工操作方式（串行处理）n用户独占全机用户独占全机nCPU等待人工操作等待人工操作271.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机

17、系统n人工操作方式人工操作方式n用户独占全机用户独占全机nCPU等待人工操作等待人工操作 人工操作方式严重降低了计算机资源的利用人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率，此即所谓率，此即所谓人机矛盾人机矛盾。输入数据输入数据281.2.1 无操作系统的计算机系统无操作系统的计算机系统n脱机输入输出方式脱机输入输出方式n减少了减少了CPU的空的空闲时间闲时间n提高提高I/O速度速度脱机脱机I/O示意图示意图主机主机内存内存磁盘磁盘磁盘磁盘外围机外围机外围机外围机磁盘磁盘输入设备输入设备输出设备输出设备29 批处理程序批处理程序(又称为监督程序（又称为监督程序（Monitor），或），或管理程序管

18、理程序),管理应用程序的运行。管理应用程序的运行。 操作步骤：操作步骤：1.收集一批作业，通过脱机方式将作业逐个收集一批作业，通过脱机方式将作业逐个读到磁带上保存起来。读到磁带上保存起来。2.批处理程序将磁带上的第一个作业读入计批处理程序将磁带上的第一个作业读入计算机，运算结束后将结果输出到输出磁带上。算机，运算结束后将结果输出到输出磁带上。3.自动读入下一个作业自动读入下一个作业,并运行。并运行。4.当一批作业全部执行结束后当一批作业全部执行结束后,取下输入磁取下输入磁带和输出磁带带和输出磁带,用输入磁带录入下一批作业用输入磁带录入下一批作业,将将输出磁带送到专用输出计算机输出磁带送到专用输

19、出计算机,进行脱机打印。进行脱机打印。1.2.2 单道批处理系统单道批处理系统30监督程序监督程序作业输出作业输出作业序列作业序列作业一个接一个的连续处理作业一个接一个的连续处理31单道批处理系统流程图单道批处理系统流程图把下一个作业的源程序转换为目标程序源程序有错吗？否装 配目标程序还有下还有下一个作业？一个作业？是否停止运 行目标程序是开始32单道程序运行情况单道程序运行情况 CPU 启动启动I/O I/O I/O完成完成 CPU I/O中断请求中断请求结束中断结束中断用户程序用户程序监督程序监督程序I/O操作操作331.2.2 单道批处理系统单道批处理系统n特征：特征：n自动性自动性n顺

20、序性顺序性n单道性单道性n缺点：缺点：n监督程序占用内存监督程序占用内存n监督程序消耗了一部分机器时间监督程序消耗了一部分机器时间341.2.3 多道批处理系统多道批处理系统（现代意义的操作系统）（现代意义的操作系统）引入：引入：n 单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作单道批处理系统中，任意时刻只允许一道作业在内存中运行，资源利用率低。业在内存中运行，资源利用率低。n 为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，形成了多道批处理系统成了多道批处理系统 。35多道批处理系统多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing Syste

21、m)n多道多道是指，允许多个程序同时存在于主存中，是指，允许多个程序同时存在于主存中，按照某种原则分派处理机，逐个执行这些程按照某种原则分派处理机，逐个执行这些程序。序。 n批处理批处理：用户提交的作业首先存放在外存，：用户提交的作业首先存放在外存，并排成一个队列并排成一个队列(后备队列后备队列)。然后，由作业调。然后，由作业调度程序按照一定的算法从该队列中一次选取度程序按照一定的算法从该队列中一次选取一个或若干个作业装入内存执行。一个或若干个作业装入内存执行。36处理机自动切换处理机自动切换n当某个程序占用处理机，执行过程中遇到当某个程序占用处理机，执行过程中遇到了输入了输入/输出语句，可以

22、启动专门负责输入输出语句，可以启动专门负责输入/输出的系统服务程序完成输入输出的系统服务程序完成输入/输出操作，输出操作，处理机切换到另一个程序执行。处理机切换到另一个程序执行。37多道程序设计技术多道程序设计技术n为了提高系统吞吐量和资源利用率，允许多为了提高系统吞吐量和资源利用率，允许多个程序同时驻留内存，使处理机在这些程序个程序同时驻留内存，使处理机在这些程序之间切换，在一段时间内，执行完多个程序之间切换，在一段时间内，执行完多个程序的处理技术称为的处理技术称为多道程序设计技术多道程序设计技术（multiprogramming）。）。n现代操作系统大多都采用了多道程序设计技现代操作系统大

23、多都采用了多道程序设计技术。术。38两道程序的多道程序设计两道程序的多道程序设计程序程序B 处理机处理机(CPU)输入设备输入设备 输出设备输出设备 输输入入 结结束束请请求求打打印印 CPU空闲空闲 请请求求输输入入等待等待CPU 程序程序A程序程序B 程序程序A程序程序A 输入输入程序程序B打印打印程序程序A其他其他I/O39OS中引入多道程序设计技术带来的好处中引入多道程序设计技术带来的好处n提高提高CPU的利用率的利用率n可提高可提高内存和内存和I/O设备设备利用率利用率n增加增加系统吞吐量系统吞吐量n多道程序设计的特点：多道程序设计的特点：n宏观上并行宏观上并行n微观上串行微观上串行

24、 前进前进40在单道情况下完成程序在单道情况下完成程序A和程序和程序B需要时间：需要时间： 20+40+30+20+30+20+30=190CPU占用总时间：占用总时间：20+30+30+30=110CPU利用率：利用率：110190100%=58%程序程序A 运行流程：运行流程：20 40 30 20程序程序B运行流程：运行流程：30 20 30程序程序A程序程序B CPU 输出设备输出设备 等待等待 CPU CPU 输入设备输入设备 CPU 其他其他I/OCPU利用率（单道程序设计）利用率（单道程序设计）41CPU利用率（多道程序设计）利用率（多道程序设计）在多道情况下完成程序在多道情况下

25、完成程序A和程序和程序B需要时间：需要时间：20+40+30 +30=120CPU占用总时间：占用总时间：20+30+30+30=110CPU利用率：利用率：110120100%=92%程序程序A 运行流程：运行流程：20 40 30 20程序程序B运行流程：运行流程：30 20 30程序程序A程序程序B CPU 输出设备输出设备 等待等待 CPU CPU 输入设备输入设备 CPU 其他其他I/O返回返回42单道和多道程序运行情况单道和多道程序运行情况 t1t2t3t4t5t6t7t8结束中断结束中断I/O 完成完成启动启动 I/OI/O 中断请求中断请求I/O 完成完成启动启动 I/OI/O

26、中断请求中断请求用户程序用户程序监督程序监督程序I/O 操作操作(a) 单道程序运行情况单道程序运行情况程序程序A程序程序A I/O 请求请求程序程序A I/O 完成完成程序程序B程序程序B I/O 请求请求程序程序C程序程序C I/O 请求请求程序程序D程序程序D I/O 请求请求C I/O 完成完成C 再被调度再被调度程序程序B I/O 完成完成程序程序A再被调度再被调度程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D调度程序调度程序(b) 四道程序运行情况四道程序运行情况A完成完成结束中断结束中断431.2.3 多道批处理系统多道批处理系统n特征特征n多道性、无序性、调度性（作业调度，进多道性、

27、无序性、调度性（作业调度，进程调度）程调度）n优点优点n资源利用率高；系统吞吐量大资源利用率高；系统吞吐量大n缺点缺点n平均平均周转时间周转时间长；无交互能力长；无交互能力44多道程序设计技术引发的问题多道程序设计技术引发的问题n 处理机的分配与回收处理机的分配与回收 n 内存的分配与保护内存的分配与保护 n I/O设备的共享与效率设备的共享与效率 n 文件的有效管理文件的有效管理 n 作业的组织作业的组织 451.2.4 分时系统分时系统引入：引入：n多道批处理系统：提高了资源利用率和吞吐多道批处理系统：提高了资源利用率和吞吐量。但是，批处理系统交互性很差。量。但是，批处理系统交互性很差。

28、n为了改进为了改进响应时间响应时间和性能和性能,提供交互式操作环提供交互式操作环境境,导致了分时系统的出现。导致了分时系统的出现。n分时系统的实质是，在多道程序技术的基础分时系统的实质是，在多道程序技术的基础之上之上,为多个用户配置一个联机终端为多个用户配置一个联机终端 46分时系统图示分时系统图示47服务器服务器终端终端1终端终端2终端终端3终端终端n481.2.4 分时系统分时系统n推动分时系统形成和发展的主要动力是推动分时系统形成和发展的主要动力是用户用户的需求的需求。n用户的需求用户的需求具体表现在以下几个方面：具体表现在以下几个方面： (1) 人人机交互。机交互。 (2) 共享主机。

29、共享主机。 (3) 便于用户上机。便于用户上机。 n当今，通常使用专用的个人计算机或工作站当今，通常使用专用的个人计算机或工作站来完成交互式计算任务，但在来完成交互式计算任务，但在20世纪世纪60年代年代是行不通的，当时产生了分时系统。是行不通的，当时产生了分时系统。491.2.4 分时系统分时系统n分时分时：多个终端分享：多个终端分享处理器时间处理器时间的技术。的技术。n实现实现：把计算机的系统资源（尤其是：把计算机的系统资源（尤其是CPU）进行时间上的分割，每个时间段）进行时间上的分割，每个时间段称为一个称为一个时间片时间片（time slice），），每个用每个用户依次轮流使用时间片。户

30、依次轮流使用时间片。50分时系统分时系统51多道批处理系统与分时系统比较多道批处理系统与分时系统比较项目项目多道批处理系统多道批处理系统分时系统分时系统主要目标主要目标充分使用处理器充分使用处理器减小响应时间减小响应时间操作系统指令源操作系统指令源作业提供的作业作业提供的作业控制语言命令控制语言命令从终端键入的命从终端键入的命令令52分时系统实现中的关键问题分时系统实现中的关键问题(1) 及时接收：在系统中配置一个多路卡及时接收：在系统中配置一个多路卡 (2) 及时处理（人机交互的关键）：及时处理（人机交互的关键）： 各个用户的各个用户的作业必须都在内存中，且能频繁的获得作业必须都在内存中，且

31、能频繁的获得CPU而运行。而运行。53如何实现人机交互如何实现人机交互n首先，作业应首先，作业应直接进入内存直接进入内存。n其次，每个用户一次最长占用一个时间其次，每个用户一次最长占用一个时间片的片的CPU。n在不长的时间内能使所有的用户都执行在不长的时间内能使所有的用户都执行一次，便可使每个用户都能及时地与自一次，便可使每个用户都能及时地与自己的作业交互，从而使用户请求得到及己的作业交互，从而使用户请求得到及时响应。时响应。54分时系统的特点分时系统的特点n多路性（同时性）多路性（同时性）n独立性（独占主机）独立性（独占主机）n及时性（短时间得到响应）及时性（短时间得到响应）n交互性（人机对

32、话）交互性（人机对话）551.2.5 实时系统实时系统所谓所谓“实时实时”，是表示，是表示“及时及时”，而，而实时系统实时系统(Real-Time System)(Real-Time System)是指系统能及时是指系统能及时( (或即时或即时) )响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对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该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。地运行。 要求：响应时间短，在一定范围之内系统可靠要求：响应时间短，在一定范围之内系统可靠性高。性高。561.2.5 实时系统实时系统1、应用需求：、应用需求：n实时控制实时控制 火

33、炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统等统等n实时信息处理实时信息处理 飞机或火车的订票系统、情报检索系统飞机或火车的订票系统、情报检索系统572、实时任务、实时任务n按实时任务执行时是否呈现周期性来划分按实时任务执行时是否呈现周期性来划分n周期性实时系统周期性实时系统n非周期性实时系统非周期性实时系统n截止时间截止时间(deadline)，开始截止时间（最晚开始开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间）时间）和完成截止时间（最晚完成时间）n根据对截止时间的要求来划分根据对截止时间的要求来划分n硬实时任务硬实时任务n软实时任务软实时任务58实时

34、系统与分时系统特征的比较实时系统与分时系统特征的比较n多路性多路性n独立性独立性n及时性及时性n交互性交互性n可靠性可靠性59操作系统的类型操作系统的类型n操作系统的基本类型操作系统的基本类型n批处理系统批处理系统n分时系统分时系统n实时系统实时系统n目前的操作系统，通常同时具有分时、实时目前的操作系统，通常同时具有分时、实时和批处理功能，又称作和批处理功能，又称作通用操作系统通用操作系统。可适。可适用于计算、事务处理等多种领域，能运行在用于计算、事务处理等多种领域，能运行在多种硬件平台上，如多种硬件平台上，如 UNIX系统、系统、Windows NT等。等。601.3 操作系统的基本特征操作

35、系统的基本特征1.3.1 并发并发（Concurrence）1.3.2 共享共享（Sharing）1.3.3 虚拟虚拟（Virtual）1.3.4 异步异步（Asynchronism）611.3.1 并发（并发（Concurrence）1.并行与并发并行与并发n并行性并行性是指两个或多个事件在同一是指两个或多个事件在同一时刻时刻发生。发生。n并发性并发性是指两个或多个事件在同一是指两个或多个事件在同一时间段内时间段内发生。发生。n在在多道程序多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行。但在单处理机系统中，观上有多个程序在同时运行。但在单

36、处理机系统中，每一时刻只能有一道程序执行，故微观上这些程序每一时刻只能有一道程序执行，故微观上这些程序分时交替执行。在分时交替执行。在多处理机系统多处理机系统中，才能并行执行。中，才能并行执行。n并发性是并发性是OS最重要的特征，是其他三个特征的前提。最重要的特征，是其他三个特征的前提。621.3.1 并发（并发（Concurrence）2.引入进程引入进程n程序是静态实体，不能并发执行。程序是静态实体，不能并发执行。n进程（或称作任务）是动态实体，并发指的是进进程（或称作任务）是动态实体，并发指的是进程。程。n进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的

37、基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的。多个进程之间可以并发执行和交栈等组成的。多个进程之间可以并发执行和交换信息。换信息。n要想使多个程序能够并发执行，系统必须为每要想使多个程序能够并发执行，系统必须为每个程序建立进程。个程序建立进程。n线程是比进程更小的单位。线程是比进程更小的单位。631.3.2 共享（共享（Sharing）n共享共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执是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。行的进程（线程）共同使用。n互斥共享方式互斥共享方式n资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。资源分配后到释放

38、前，不能被其他进程所用。n这样的资源称为临界资源或独占资源。这样的资源称为临界资源或独占资源。n如：打印机如：打印机n同时访问方式同时访问方式n如：磁盘、重入码编写的文件如：磁盘、重入码编写的文件n并发和共享是并发和共享是OS的两个最基本的特征，他们的两个最基本的特征，他们又互为存在的条件。又互为存在的条件。641.3.3 虚拟（虚拟（Virtual）n虚拟虚拟是指通过某种技术把一个物理实体变为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。物理实体是实际存若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。在的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。n用于实现虚

39、拟的技术，称为虚拟技术。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。n时分复用技术时分复用技术：虚拟处理机，虚拟设备：虚拟处理机，虚拟设备n空分复用技术空分复用技术：虚拟磁盘，虚拟存储器：虚拟磁盘，虚拟存储器651.3.4 异步（异步（Asynchronism）n异步性异步性（不确定性）（不确定性）是由共享和并发引起的是由共享和并发引起的。在。在操作系统中可运行多道用户程序，每个用户程序操作系统中可运行多道用户程序，每个用户程序的运行时间、要使用哪些系统资源、使用多长时的运行时间、要使用哪些系统资源、使用多长时间、使用的资源是共享还是独占的，操作系统在间、使用的资源是共享还是独占的，操作系统在程序运行前

40、是不知道的。程序运行前是不知道的。n从用户运行程序的要求的角度看，操作系统必须从用户运行程序的要求的角度看，操作系统必须是确定的是确定的，即用户给定一个程序和相应的初始数，即用户给定一个程序和相应的初始数据，无论在什么时候，在什么计算机系统上运行，据，无论在什么时候，在什么计算机系统上运行，产生的结果都应是相同的。因此操作系统中需配产生的结果都应是相同的。因此操作系统中需配置同步机制。置同步机制。661.4. 操作系统的主要功能操作系统的主要功能1.4.1 处理机管理处理机管理1.4.2 存储器管理存储器管理1.4.3 设备管理设备管理1.4.4 文件管理文件管理1.4.5 用户接口用户接口6

41、71.4.1 处理机管理处理机管理n进程控制进程控制n进程同步进程同步n进程通讯进程通讯n调度（作业调度，进程调度）调度（作业调度，进程调度）681.4.2 存储器管理存储器管理n内存分配内存分配n内存保护内存保护n地址映射地址映射n内存扩充内存扩充691.4.3 设备管理设备管理n缓冲管理缓冲管理n设备分配设备分配n设备处理设备处理701.4.4 文件管理文件管理n文件存储空间的管理文件存储空间的管理n目录管理目录管理n文件的读写管理和保护文件的读写管理和保护711.4.5 用户接口用户接口n命令接口命令接口n程序接口程序接口n图形接口图形接口721.5 操作系统的结构设计操作系统的结构设计

42、n1.5.1 传统的操作系统结构传统的操作系统结构n1.5.2 客户客户/服务器模式服务器模式n1.5.3 面向对象的程序设计面向对象的程序设计n1.5.4 微内核微内核OS结构结构731.5.1 传统的操作系统结构传统的操作系统结构1、无结构操作系统、无结构操作系统2、模块化结构、模块化结构OS3、分层式结构、分层式结构OS741、 无结构操作系统无结构操作系统n早期开发操作系统时，只是一组程序的集合，系统即复杂又庞大，缺乏清晰的程序结构，错误多、难以维护。n设计重点：功能的实现和高效率752、 模块化模块化OS结构结构n将将OS按其功能划分为若干具有一定按其功能划分为若干具有一定独立性的的

43、模块，并规定好各模块间的接口，使各模块模块，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能够通过该接口实现交互。之间能够通过该接口实现交互。操作系统进程管理存储器管理文件管理进程控制进程调度内存分配内存保护模块子模块.762、 模块化模块化OS结构结构n优点： 提高了设计的正确性、可维护性； 增强了OS的可适应性； 加速了OS的开发过程；n缺点： 对模块的划分不精确，易存在错误； 未将资源加以区别； 模块间存在着复杂的依赖关系，使OS结构不清； 设计过程无序。773、分层式、分层式OS结构结构n各层模块间只能是单向调用关系用户态用户态核心态核心态常用操作系统的层次模型常用操作系统的层次模型783、分层

44、式、分层式OS结构结构n从资源管理观点出发，划分层次。在某一层从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。系统每加一层，就构间的调用变为有序性。系统每加一层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。成一个比原来功能更强的虚拟机。n优点：优点：n易保证系统的正确性易保证系统的正确性n易扩充和易维护性易扩充和易维护性n缺点：缺点：n系统效率降低了（通信）系统效率降低了（通信）791.5.2 客户客户/服务器模式（服务器模式（C/S）1、客户/服务器模式的组成客户机客户机网络系统网络系统提供服务提供服务服务器服务器8

45、01.5.2 客户客户/服务器模式（服务器模式（C/S）2、客户、客户/服务器之间的交互服务器之间的交互n客户发送请求消息客户发送请求消息n服务器接收消息服务器接收消息n服务器回送消息服务器回送消息n客户机接收消息客户机接收消息811.5.2 客户客户/服务器模式（服务器模式（C/S）n优点：优点：n数据的分布处理和存储数据的分布处理和存储n便于集中管理便于集中管理n灵活性和可扩充性灵活性和可扩充性n易于改编应用软件易于改编应用软件n不足之处：不足之处：n不可靠性不可靠性n瓶颈瓶颈821.5.3 面向对象的程序设计面向对象的程序设计n面向对象技术的基本概念面向对象技术的基本概念n对象对象n对象

46、类对象类n继承继承n面向对象技术的优点面向对象技术的优点n通过通过“重用重用”提高产品质量和生产率提高产品质量和生产率n使系统具有更好的易修改性和易扩展性使系统具有更好的易修改性和易扩展性n更易于保证系统的更易于保证系统的“正确性正确性”和和“可靠性可靠性”831.5.4 微内核微内核OS结构结构n当前流行的当前流行的OS都采用了微内核结构。都采用了微内核结构。n采用基于客户采用基于客户/服务器模式。服务器模式。n将操作系统划分为：微内核和多个服务将操作系统划分为：微内核和多个服务器。器。841.5.4 微内核微内核OS结构结构n足够小的内核足够小的内核n微内核技术是指精心设计的，能实现现代是指精心设计的，能实现现代OS最基本的核心功能的部分。微内核并非最基本的核心功能的部分。微内核并非是一个完整的是一个完整的OS，而只是为构建通用而只是为构建通用OS提供一个重要基础。提供一个重要基础。n微内核不仅运行在核心态，而且微内核不仅运行在核心态，而且开开机后常驻内存，它不会因为内存紧张而被换出内，它不会因为内存紧张而被换出内存。存。85基于基于C/S模式的微内核模式的微内核OS客客 户户进