操作系统课件 第二章 操作系统用户接口

姓名：邓红霞学院：计算机科学与技术学院学校：太原理工大学第二章操作系统用户接口操作系统接口用户管理作业1主要内容23系统调用4作业是操作系统中最古老的概念之一，使用非常广泛。早期的操作系统就是以作业管理为中心的“作业监控系统”。那么，什么是作业？作业是用户交给计算机做的一项工作，如计算一个方程组的根、打印一个表格、发送一个电子邮件等。一个作业通常包括用户用某种计算机语言编写的源程序、作业运行所需的初始数据，以及控制作业运行的命令等，由多个作业步构成作业结构。

2.1作业2.1.1作业分类2.1.2作业管理的功能2.1作业作业在计算机上运行，除了时间长短不同外，运行方式也有很大区别。由此，可以将作业划分为三类：批处理型作业、交互型作业和实时型作业。（1）批处理型作业这是巨型机和大型服务器上主要处理的一类作业。这些作业的运行时间一般都比较长。用户将自己的作业通过与主机相连的前端机—工作站或PC提交给系统，系统将所有作业组织成一个作业流，然后对它们逐一进行控制和调度。2.1.1作业分类

（2）交互型作业

如果一个作业是通过交互方式启动的，例如，通过鼠标或键盘启动，则该作业称为交互型作业。各用户可以独占一台终端机，对自己的作业实施交互控制。这类作业有计算机游戏软件、计算机辅助设计程序、虚拟现实系统等。另外，交互型作业特别适合对程序的动态调试，如边改动程序，边观看运行结果多道程序共享内存，并发交替占用处理机运行，程序运行不再具有“封闭性”。2.1.1作业分类（3）实时型作业

这是一类适合于特定应用场合的作业。按它们对系统的响应时间要求予以划分，这类作业可分为三种。①时间要求苛刻型的实时作业：响应时间一般为微秒量级，有的甚至更小。②普通型的实时作业：响应时间一般为毫秒量级。响应快的可达0.1ms，慢的不高于数百毫秒。③时间要求宽松型的实时作业：响应时间一般为秒量级。如果将实时型作业按截止时间的类型划分，又可分为硬实时型作业和软实时型作业两类。2.1.1作业分类2.1.2作业管理的功能作业管理模块为使用户更好地运行自己的作业，更方便的使用计算机并确保整个系统的资源被高效且合理的利用，主要包含以下五项功能。作业收容作业控制作业调度作业撤销用户管理和接口管理2.1.2作业管理的功能作业收容作业收容是作业管理的前期阶段，由专门的录入控制软件实现。其主要有“代码录入”和“作业登录”两项功能。当用户向计算机系统提交一个作业时，系统通过代码录入把作业从外围设备输入，送到外存的“作业输入井”中。然后，由作业登录程序把作业的有关信息登到一张称作“作业控制块”的表格上，然后等待调度运行系统通过代码录入把作业从外围设备输入，2.1.2作业管理的功能作业控制对于批处理系统来说，作业运行前需要读入用户的“作业控制命令”，通过解释这些命令，得到关于作业的描述信息，如作业名、作业长度、作业优先权值、设备需求等，并将它们登记到作业控制块中，以便调度作业用。对于分时系统来说，用户使用的终端设备就是作业必需的外围设备。系统要将终端机指定给相关的用户作业。对于用作实时控制的计算机系统来说，作业控制部分还要负责读入用户的“过程控制语言命令”，并将其翻译为具体的操作指令。2.1.2作业管理的功能作业调度作业调度的主要功能是，按照某种算法从输入井中选出一部分后备作业，加载到内存中，将它们的全部信息整理好后交给“进程管理”模块，使它们投入运行。调度算法的依据有：作业优先权值、作业截止时间、预估的运行时间，以及输入/输出量等。不同的调度算法所规定的作业运行顺序是不同的。2.1.2作业管理的功能作业撤销一个作业经过一段时间的运行后，有可能正常结束，也有可能出现异常情况而不能继续运算下去。这两种情况，系统都将转入操作系统的控制之下，由操作系统中的作业管理模块来实现作业的后处理。后处理的主要工作是把作业占有的系统资源收回来。这一工作通常由作业管理系统调用一个具有“作业卸出”功能的程序来完成。该程序按用户的指定，将文件从系统中消除或者转存于某个位置，将作业的运行结果输出。2.1.2作业管理的功能用户管理和接口管理在系统接口管理方面，当用户通过联机方式使用计算机进行运算时，由作业管理模块中的“键盘、命令解释程序”对键盘命令进行解释和执行。当用户通过脱机方式使用时，用户将作业控制命令附加到作业代码上，由作业管理模块中的“作业控制语言解释程序”对其给予解释执行。另外，操作系统还提供一种程序级接口，允许用户在自己的应用程序中调用系统中提供的一些功能模块2.2.1用户的基础概念2.2.2用户组的管理及用户登录管理2.2用户管理操作系统启动以后，一般会自动创建一个具有特权操作的用户，通常称为管理员（administrator）或超级用户。操作系统通过与管理员的交互会话，获知管理员的意图，从而进行相应的处理。

除了管理员之外，操作系统中大量存在的是普通用户，他们利用计算机进行科学计算和信息处理。普通用户需要经过一个“用户创建”过程，才能成为操作系统的合法用户，这一过程也称为“用户注册”。2.2.1用户的基础概念UID是用户的唯一标示符，通过UID可以区分不同用户的类别（用户在登录系统时是通过UID来区分用户，而不是通过用户名来区分）①超级用户：也称为root用户，它的UID为0。超级用户拥有系统的完全控制权，可以进行修改、删除文件等操作，也可以运行各种命令，所以在使用root用户时要十分谨慎。②普通用户：也称为一般用户，它的UID为1000～60000，普通用户可以对自己目录下的文件进行访问和修改，也可以对经过授权的文件进行访问。

③虚拟用户：也称为系统用户，它的UID为1～999，虚拟用户最大的特点是不提供密码登录系统，它们的存在主要是为了方便系统管理2.2.1用户的基础概念创建用户：创建了一个用户之后，系统一般要为该用户设一个用户工作目录，专供该用户使用。日后当用户进入系统时，该目录将成为他的默认目录。用户工作目录的名字一般取自创建用户时登记的用户名。例如，Linux系统中的用户usename，其用户目录为：/home/username在不同的系统中，添加命令的处理稍有区别。例如：操作系统OpenEuler中用useradd命令创建用户账号，并保存在/etc/passwd文件中。终端机、限定登录的时间段、划定用户所在的用户组等2.2.1用户的基础概念删除用户：当用户不再使用系统时，管理员可使用删除命令将用户从系统中删除。删除的内容除了用户基本信息外，还包括用户的工作目录。通常删除用户的力度分为三级。（1）用户注册封锁：保留用户信息和用户工作目录，仅阻止用户注册。

（2）删除用户信息：删除用户信息，但保留用户工作目录。

（3）删除用户：将用户信息和用户工作目录全部删除，让该用户及其全部信息从系统中彻底消失。例如：在操作系统OpenEuler中userdel命令用于删除指定的用户以及用户相关的文件，实际上是对系统的用户账号文件进行了修改。语法：userdel[options]user_name2.2.1用户的基础概念2.2.2用户组的管理及用户登录用户组管理系统中注册的用户可按其性质划分为多个用户组，相同性质的用户分为一组。系统管理员可以为每个用户指定一个用户组或多个用户组。设置用户分组的目的是便于对用户实施管理。每个用户组包括的内容有组名、口令、组标识符（GID）、符组内成员等信息，如图所示。用户1用户n用户2…组名口令GID组内成员用户组表例如：在操作系统OpenEuler中，groupadd命令可用来创建一个新的用户组，并将新用户组信息添加到系统文件中。语法：groupadd[options]group_name2.2.2用户组的管理及用户登录用户登录管理用户注册以后就成为系统的合法用户。若用户要进入系统使用计算机，需要进行登录。登录的目的是核实用户的身份：注册名、口令及其他信息。例如，用户wang,使用的口令是123456，做出的回答可以是命令行中的下划线部分：Login（登录）：wangPassword（口令）：123456

系统根据用户的回答，查看用户注册表进行核对。当然，除了核对用户名和口令，还要核对用户登录的终端机和登录时间等信息，经核对正确后允许用户使用。2.3操作系统接口计算机系统有两类用户：一类是使用和管理计算机应用程序的用户，也就是被服务者；另一类是程序开发人员。被服务者又可进一步分为普通用户和管理员用户。对于不同的用户操作系统提供不同的用户接口。总的来说，操作系统接口可分为两大类：一类是为普通用户和管理员用户提供的操作命令接口，用户通过这个操作接口来组织自己的工作流程和控制程序的运行；另一类是为程序开发人员提供的系统功能调用，也就是程序一级的接口，任何一个用户程序在其运行过程中，都可以使用操作系统提供的功能调用来请求操作系统的服务。

2.3.1脱机命令接口2.3.2联机命令接口2.3.3图形接口2.3.4程序级接口2.3操作系统接口用户在提交自己的作业时，一般要同时提交一份关于作业的说明书。它是一个说明如何运行作业的文件，其中的每一项说明都是作业控制语言（jobcontrollanguage，JCL）的一条命令。作业说明书中的内容有作业步的定义、程序和数据的说明等。作业控制语言是由一组作业控制命令组成的集合，专门用于批处理系统。每一条作业控制命令给出作业的一条说明。如果作业在执行过程中出现了异常现象，系统也根据作业说明书上的指示进行干预。这样，作业一直在作业说明书的控制下运行，直至遇到作业结束语句时，系统才停止该作业的运行。2.3.1脱机命令接口作业在这是一种适合终端用户使用的操作命令接口，主要实现人—机交互。用户通过终端命令控制作业的运行。该接口需要涉及两个程序：终端处理程序和命令解释程序

终端处理程序。终端处理程序实现的功能：字符接收及存储缓冲、字符回显、控制字符处理等。因该程序较多地涉及终端机的物理性能，所以常将该程序与其他外部围设备处理程序一并划归设备管理模块。2.3.2联机命令接口（1）字符接收及存储缓冲这是终端处理程序最基本的功能。中断处理程序不断地从终端接收字符，暂存在内存的缓冲区中（又称为字符缓冲区，或行缓冲区），遇到行结束符后，再将这一行字符转送到命令解释程序。在转送之前，用户可对缓冲区内的字符进行编辑修改。这种方式一般称为“熟”（look）方式。还有一种“生”（raw）方式，用户每输入一个字符，就立即不加修改地转送给用户程序。2.3.2联机命令接口2.3.2联机命令接口（2）字符回显当用户从终端键盘上输入字符后，终端处理程序就将该字符送到终端显示器上显示。这一功能称作字符回显。字符回显的实现方式有两种：硬件方式和软件方式。硬件方式，用户在键盘上输入的字符都被显示在屏幕上。字符的显示速度比较快，但灵活性较差。软件方式，近年来比较流行的一种方式。用户在键盘上输入一个字符后，相关的终端驱动程序负责将字符显示出来。该程序可具有字符转换功能（如由小写字母转换成大写字母，或相反），以及在显示前确定字符显示位置的功能。（3）控制字符处理在终端键盘上有许多控制用的字符，是非显示字符。每一个控制字符都关联着一个控制程序。终端处理程序需要实时地识别它们，并立即启动所关联的控制程序。控制字符有单字符型的和多字符组合型的。常用的单字符型的有：PrintScreen、Pg_up、Esc等。多字符组合型的有：Ctrl+Break、Alt+F1、Ctrl+Alt+Del等。2.3.2联机命令接口作业在这是一种适合终端用户使用的操作命令接口，主要实现人—机交互。用户通过终端命令控制作业的运行。该接口需要涉及两个程序：终端处理程序和命令解释程序

命令解释程序该程序的主要功能是接收用户的操作命令，对命令进行解释，并负责调用操作系统内部的各种模块，以实现用户的要求。下面示意性地给出一个简单的命令处理程序工作流程，如图所示。2.3.2联机命令接口操作命令通常分为两种：一种是供用户使用的；另一种是专门供操作员使用的。供用户使用的命令是在计算机的终端设备备上输入的，称为“用户命令”或“终端命令”。供操作员使用的命令是在计算机的控制台上输入的，称为“专用命令”或“控制台命令”。不同的操作系统所规定的操作命令功能和格式差别很大。从功能上说大致分为以下几种：①系统访问类：这类命令允许用户通过登录进入系统，使用完毕时退出等。②磁盘操作类：管理员可通过这类命令进行磁盘管理，而对普通终端用户来说，这些命令一般只限于在自己定义的磁盘上使用。③目录和文件操作类：用户在外存上建立的目录和文件，可以在访问权限许可的情况下用此类命令进行操作。④编辑、编译和程序运行类：编辑命令允许用户将程序或数据通过此类命令进行编辑，并以文件的形式存储于外存中。⑤辅助命令类：系统还提供一些辅助命令。⑥专用命令类：这是专门由系统管理员使用的一类命令，允许查看系统内各作业的运行状态。2.3.2联机命令接口现代操作系统一般还提供图形化用户界面，在这样的操作界面中，用户可以方便地借助鼠标等标记性设备，选择所需要的命令，采用单击或拖动的方式完成自己的操作意图。菜单驱动方式菜单驱动方式是面向屏幕的交互方式，它将键盘命令以屏幕方式来体现。系统将所有的命令和系统提供的操作，用类似菜单的形式分类、分窗口地在屏幕上列出。用户可以根据菜单提示，像点菜一样选择某个命令或某种操作来通知系统去完成指定的工作。2.3.3图形接口图符驱动方式图符驱动方式也是一种面向屏幕的图形菜单选择方式。图符也称为图标，是一个很小的图形符号。它代表橾作系统中的命令、系统服务、操作功能、各种资源。例如，用小矩形代表文件，用小剪刀代表剪贴。所谓图形化的命令驱动方式就是当需要启动某个系统命令、操作功能或请求某个系统资源时，以选择代表它的图符，并借助鼠标器一类的标记输入设备（也可以采用键盘），采用点击和拖动功能，完成命令和橾作的选择及执行。2.3.3图形接口面向对象技术面向对象技术是一种编程思想和方法，它强调将问题分解为一系列对象，通过对象之间的交互实现整个应用程序的功能。面向对象技术有三大特征：封装、继承和多态。图形化用户界面是良好的用户交互界面，它将菜单驱动方式、图符驱动方式、面向对象技术集成在一起，形成一个图文并茂的视窗操作环境。Windows操作系统和Linux操作系统都为用户提供图形化用户界面。2.3.3图形接口程序级接口是操作系统提供给用户的另一个接口。用户在编制程序时，经常要用到外围设备。而外围设备的使用往往是非常烦琐的。如果让用户在程序中写入这些设备操作命令，显然会增加用户的编程难度。为了便于用户使用计算机，大部分操作系统都提供了一些实现上述功能的“系统功能模块”供用户调用。这样一来，设备的物理性能就对用户透明了。当用户的应用程序需要使用某台设备时，只要在其程序的有关位置写入“调用系统功能”的有关命令即可，这种命令称作“系统调用命令”。2.3.4程序级接口2.4.1处理器的两种工作状态2.4.2系统调用的实现2.4.3系统调用的实例2.4系统调用2.4.1处理器的两种工作状态在多道程序设计环境下，多个程序共享系统资源。正是由于要实现对资源的“共享”，涉及资源管理的硬指令就不能随便使用。因此常把CPU指令系统中的指令划分为两类，一类是大家（指操作系统和用户）都能使用的指令，称为“非特权指令”；一类是操作系统使用的指令，称为“特权指令”。2.4.1处理器的两种工作状态为了确保只在操作系统范围内使用特权指令，计算机系统让CPU取两种工作状态：管态和目态（又称核心态和用户态）。规定当CPU处于管态时，可以执行包括特权指令在内的一切机器指令；当其处于目态时，只能执行非特权指令，禁止使用特权指令。CPU是处于管态还是目态，硬件会自动设置与识别。当CPU的控制权移到操作系统时，硬件就把CPU工作的方式设置成管态；当操作系统选择用户程序占用处理机时，CPU的工作方式就会由管态转换成目态。用户想在自己的程序中调用操作系统的子功能，就必须改变机器的状态。系统调用的定义用户程序运行时处于用户态，而操作系统例行子程序的执行处于管态。用户程序请求操作系统服务时，会发生处理机状态的改变。此时，就必须用到一种特殊的调用方式：访管方式。为了实现这种调用，系统提供一条自愿进管指令（访管指令），当CPU执行到这条指令时就发生中断，称为自愿进管中断（访管中断），它表示正在运行的程序对操作系统提出某种要求。此时就可以改变机器的状态，即由目态转为管态。2.4.2系统调用的实现系统功能调用是用户在程序一级请求操作系统服务的一种手段，它的功能不由硬件来直接提供，而是由软件来实现的，也可说是由操作系统中的某段程序来实现的。系统调用大致可分为如下几类：（1）设备管理：该类系统调用被用来请求和释放有关设备，以及启动设备操作等。（2）文件管理：对文件的读、写、创建和删除等。（3）进程控制：进程是一个在功能上独立的程序的一次执行过程。进程控制的有关系统调用包括进程创建、进程执行、进程撤销、执行等待和执行优先级控制等。（4）进程通信：该类系统调用被用在进程之间传递消息或信号。（5）存储管理：包括调查作业占据内存区的大小、获取作业占据内存区的起始地址等。（6）线程管理：包括线程的创建、调度、执行、撤销等。2.4.2系统调用的实现2.4.2系统调用的实现

为了使控制能跳到用户当前所需要的那个例行子程序去，就需要指令提供一个地址码，用这个地址码表示系统调用的功能号。它也是操作系统提供的例行子程序的编号。然后在访管指令中输入相应的号码，以完成用户当前所需要的服务。因此，一个带有一定功能号的访管指令就定义了一条系统调用命令。用户可以用带有不同功能号的访管指令来请求各种不同的功能。例如：svc0显示一个字符

svc1打印一个字符串2.4.2系统调用的实现操作系统提供的系统调用与一般的过程调用（或称子程序调用）的区别：（1）一般的过程调用，调用者与被调用者都运行在相同的CPU状态，即或都处于目态（用户程序调用用户程序），或都处于管态（系统程序调用系统程序）；但发生系统调用时，发出调用命令的调用者运行在目态，而被调用的对象则运行在管态。（2）一般的过程调用，是直接通过转移指令转向被调用的程序；但系统调用时，只能通过访管指令提供的统一的入口，由目态进入管态，然后转向相应的系统调用命令。（3）一般的过程调用，执行完后径直返回断点继续执行；但系统调用可能会招致进程状态的变化，从而引起系统重新分配处理机，因此系统调用处理结束后，不一定是返回调用者断点处继续执行。2.4.2系