計算機專業課程河海大學計算機與信息學院操作系統教程姓名：張鵬程郵箱：pchzhang@勤學樓4515課程要求C語言、匯編語言、數據結構、計算機組成原理等平時成績+考試成績(30%vs70%)平時成績：到課率+作業平時答疑時間：周一、周二下午5點前（無特殊事情都在）1.1 操作系統概觀1.1.1操作系統的定義和目標1.1.2操作系統的資源管理技術1.1.3操作系統的作用與功能1.1.3操作系統的主要特性1.1.1操作系統的定義和目標給操作系統下定義是困難的，至今沒有一個能公認的統一說法以下列舉了現今操作系統教材中常見的幾種觀察操作系統的角度定義(續)自頂向下的角度，操作系統是裸機上的第一層軟件，是對機器的第一次擴展，為用戶提供了一臺與實際硬件等價的虛擬機

自底向上的角度，操作系統是資源管理，在相互競爭的程序之間有序地控制對處理器、存儲器以及其他I/O接口設備的分配定義(續)從軟件分類角度看，操作系統是最基本的系統軟件，它控制著計算機所有的資源并提供應用程序開發的接口從系統管理員角度看，操作系統合理地組織管理了計算機系統的工作流程，使之能為多個用戶提供安全高效的計算機資源共享從程序員角度看（即從操作系統產生的角度），操作系統是將程序員從復雜的硬件控制中解脫出來，并為軟件開發者提供了一個虛擬機，從而能更方便的進行程序設計定義(續)從一般用戶角度看，操作系統為他們提供了一個良好的交互界面，使得他們不必了解有關硬件和系統軟件的細節，就能方便地使用計算機從硬件設計者看，操作系統為計算機系統功能擴展提供了支撐平臺，使硬件系統與應用軟件產生了相對獨立性，可以在一定范圍內對硬件模塊進行升級和添加新硬件，而不會影響原先應用軟件本書觀點：

操作系統（OperatingSystem，簡稱OS）是管理系統資源、控制程序執行、改善人機界面、提供各種服務、合理組織計算機工作流程和為用戶有效使用計算機提供良好運行環境的一種系統軟件其他觀點：操作系統：是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理對各類作業進行調度，以及方便用戶使用的程序的集合

定義(續)方便用戶使用OS提供了用戶與計算機硬件之間的友善接口OS向用戶提供的應用接口要遠遠地簡單于硬件向用戶提供的接口若只有硬件，則用戶使用不便擴充機器功能OS作為軟件賦予了計算機系統以比計算機硬件更強大的功能沒有OS，只有硬件的計算機難以展現出強大的功能配置操作系統的目標配置操作系統的目標（續）管理各類資源OS代替人來管理計算機系統軟硬件資源。慢速的人工操作管理高速的系統硬件資源及龐大的軟件資源將會耗費大量的時間且極易出錯，甚至難以實現這種管理提高系統效率OS代替人實現了對計算機的自動化管理構筑開放環境開放環境的含義：遵循有關國際標準；支持體系結構的可伸縮性和可擴展性；支持應用程序在不同平臺上的可移植性和可互操作性

計算機系統硬件：包括中央處理器、存儲器、輸入設備、輸出設備等基本部分軟件：包括系統軟件和應用軟件，操作系統是最重要的系統軟件操作系統在計算機系統中的位置計算機系統可看作一個層式結構：…用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n財務系統航空訂票上網瀏覽電子商務科學計算（應用程序）編譯程序匯編程序編輯程序數據庫（系統程序）操作系統計算機硬件……操作系統在計算機系統中的位置(續)計算機硬件層操作系統賴以工作的基礎，也是操作系統設計者可以使用的功能和資源

操作系統層對硬件作擴充和改造，提供了操作系統接口，為編譯程序、編輯程序、數據庫系統等的設計者提供有力支撐。操作系統還要做資源的調度和分配，信息的存取和保護，并發活動的協調和控制等許多工作

操作系統在計算機系統中的位置(續)操作系統在計算機系統中的位置(續)系統程序層建立在操作系統改造和擴充過的機器上，提供擴展指令集，實現各種語言處理程序、數據庫管理系統和其他系統程序。提供種類繁多的實用程序，如鏈接裝配程序、庫管理程序、診斷排錯程序、分類/合并程序等供用戶使用操作系統在計算機系統中的位置(續)應用程序層解決用戶不同的應用問題，應用程序開發者借助程序設計語言來表達應用問題，開發各種應用程序，操作系統和硬件組成了一個運行平臺，其他軟件都運行在這個平臺上1.1.2操作系統的資源管理技術1.資源管理

2.操作系統中的基礎抽象---進程、虛存和文件3.虛擬計算機1.資源管理操作系統的主要任務之一就是對資源進行管理物理資源有限物理資源在硬件實現上的復雜性操作系統將物理計算機的功能加以擴展，使之成為接口好、功能強、效率高、易使用的計算機系統，稱為虛擬機在虛擬機上運行的程序稱為進程資源管理的主要技術資源復用資源虛化資源抽象組合使用抽象和虛化技術資源復用多道程序設計技術計算機系統的物理資源寶貴并且稀有系統內有多個進程競爭使用資源操作系統讓眾多進程共享有限的物理資源稱為資源復用空分復用共享時分復用共享空分復用共享空分復用共享資源可以進一步分割成更多和更小的單位供進程使用例子主存輔助存儲器時分復用共享時分復用共享資源不能進一步分割成更多和更小的單位供進程使用進程可以在一個時間片內以獨占方式使用整個物理資源例子處理器磁帶機資源復用小結進程能夠空分復用主存資源進入主存進程可以時分復用處理器以執行代碼共享硬件的技術稱為多道程序設計資源虛化虛化（虛擬性）：一種有效的資源管理技術本質是對資源進行轉化、模擬或整合把一個物理資源轉變為邏輯上的多個對應物虛化和空分復用比較空分復用所分割的是實際存在的物理資源虛化則實現假想的虛擬同類資源虛化技術可以解決某類物理資源數量不足的難題虛化技術能夠為應用程序提供更易于使用、高效的虛擬資源，并創建更好的運行環境資源虛化（續）若干虛化例子基于物理內存的虛擬內存虛化外部設備（SPOOLing技術）虛擬文件系統窗口技術信道多路復用技術資源抽象資源復用和資源虛化的主要目標是解決物理資源數量不足的問題資源抽象則用于處理系統的復雜性，重點解決資源的易用性指通過創建軟件來屏蔽硬件資源的物理特性和接口細節簡化對硬件資源的操作、控制和使用不考慮物理細節對資源執行操作資源抽象（續）例子面向進程而不是面向處理器面向文件而不是面向硬盤面向窗口而不是面向屏幕面向虛擬機而不是物理計算機資源抽象（續）從某個物理設備輸出一組字符首先了解其硬件接口：控制、狀態和數據寄存器反復讀取其狀態寄存器了解設備的狀態至設備準備好則寫入數據寄存器發出“輸出”命令至控制寄存器進行控制輸出資源抽象（續）使用資源抽象技術實現一個設備驅動程序（隱蔽物理設備細節）再定義一個標準化的軟件接口（即系統調用）應用程序就不必關心設備物理細節資源抽象（續）資源抽象技術也可用于定義和構造多層軟件以磁盤設備為例把信息塊從主存寫入磁盤需要執行下列及其指令：Load(block,length,device)Seek(device,track)Out(device,sector)一個簡單的抽象，系統調用write()Voidwrite(char*block,intlength,intdevice,inttrack,intsector)一個更高層次的抽象intfprint(fileID,“%s”,datum)資源抽象（續）數據輸入/輸出也依賴于多層抽象使用文件類系統調用來使用文件執行I/O操作時文件類系統調用外部設備的抽象（設備驅動程序）組合使用資源抽象和虛化技術對于某一類資源，往往同時實施抽象和虛化技術打印機既配置打印函數（設備驅動程序）又實施SPOOLing技術顯示器既提供輸出函數又使用窗口軟件2.操作系統中的基礎抽象計算機系統的物理資源分為：計算類處理器主存存儲接口類輔助存儲器外部設備操作系統中的基礎抽象（續）為了方便對資源的管理和使用進程抽象虛存抽象文件抽象其他資源抽象進程抽象進程：是對于進入主存的當前運行程序在處理器上操作的狀態集的一個抽象理論上每個進程都是獨立執行的單元，運行時至少需要處理器和主存實際上，若干進程時分或空分復用這些資源虛存抽象物理內存被抽象成虛擬主存，每個進程獨占一個碩大的虛存空間虛存通過對主存和磁盤的管理來實現進程的虛擬主存中的內容存儲在磁盤上主存作為磁盤的高速緩存文件抽象為了方便對磁盤、磁帶、光盤等存儲設備的使用，通常將其抽象使得所存放的信息可以表示為一個命名的邏輯字節流-----文件文件是磁盤等設備的抽象文件抽象對于信息的存儲、檢索、更新、共享和保護帶來很多好處文件抽象（續）文件抽象也是操作系統對磁盤設備進行多層次抽象的結果第一層抽象：從磁盤到分區第二層抽象：從分區到扇區第三層抽象：從扇區到簇第四層抽象：從簇到文件系統分區簇序列被分為：超級塊、inode區和數據區基礎抽象小結操作系統擔負兩項基本任務防止硬件資源被失控的應用程序濫用屏蔽復雜的硬件操作細節設備主存處理器文件抽象

虛存抽象

進程抽象

圖1.2操作系統的基礎抽象其他抽象操作系統對其他低層硬件資源也進行抽象如中斷時鐘網絡接口一些沒有特定基礎硬件的軟件資源也可被抽象消息信號量共享數據結構3.虛擬計算機虛擬計算機是一臺抽象計算機，是配備了現代操作系統的計算機對于用戶來說一臺以操作系統語言（系統調用）為機器語言的操作系統虛擬機對于安裝了c語言的計算機，就是一臺以c為機器語言的虛擬機配備了網絡操作系統后則為用戶提供了可互相通信的一組虛擬機配置了分布式操作系統則為用戶提供了一臺具有分布計算能力的虛擬機虛處理器虛存虛輔存虛設備虛擬機進程P1虛處理器虛存虛輔存虛設備虛擬機進程Pn操作系統資源管理（復用、虛化、抽象）處理器物理計算機I/O設備I/O設備主存輔助存儲器圖1.3物理計算機仿真成虛擬計算機虛擬計算機（續）虛處理器虛擬主存虛擬輔存虛擬設備虛處理器對于用戶而言，虛處理器和物理處理器能力相同虛處理器的特點虛處理器沒有中斷每個進程都有自己的虛處理器虛處理器為進程提供功能強大的指令系統實現虛處理器的技術時分復用調度切換虛擬主存虛擬主存讓進程在獲取和使用主存時感覺像擁有整個計算機的主存虛存避免了內存和磁盤之間來回復制進程地址空間對于程序員來說無需考慮物理主存的大小虛擬輔存輔存為信息提供持久性存儲采用空分復用方法一部分空間用作主存的擴充一部分空間用作存放文件有的系統提供多個虛擬盤虛擬設備SPOOLing系統提供虛擬打印機文件系統提供虛擬讀入機分時用戶的終端則提供虛擬機操作員操作系統的作用主要表現在三個方面：

1、操作系統作為用戶接口和服務提供者2、操作系統作為擴展及或虛擬機3、操作系統作為資源的管理者和控制者1.1.3操作系統的作用與功能1、操作系統作為用戶接口和服務提供者用戶對計算機系統的需求和現有硬件功能之間存在巨大差距從內部看，操作系統對計算機硬件進行改造和擴充，為應用程序提供支持原語系統調用從外部看，操作系統提供友好的人機接口，使用戶能夠方便、安全、高效地使用硬件操作系統還能夠合理地組織計算機的工作流程，協調各個機器部件有效地工作操作系統的作用(續)操作系統的作用(續)2、OS作為擴展機或虛擬機OS作為軟件覆蓋在裸機硬件上，將硬件的復雜性與用戶隔離開來。軟件賦予了計算機以強大的功能，這種強大的功能不是計算機硬件本身直接具有的，離開了軟件的支持，這種功能將不復存在（是虛的）

虛擬計算機：計算機上覆蓋了操作系統后，可以擴展基本功能，為用戶提供了一臺功能顯著增強，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機器，稱為虛擬計算機，或操作系統虛擬計算機操作系統的作用(續)3、操作系統作為資源的管理者和控制者在操作系統中，能分配給用戶使用的各種硬件和軟件設施總稱為資源資源包括兩大類：硬件資源和信息資源硬件資源主要包括：處理器、存儲器、I/O設備等信息資源主要包括：程序和數據等操作系統課程內容的體系結構正是從操作系統是計算機系統資源管理者的角度來組織和構建的操作系統的作用(續)操作系統作為資源的管理者和控制者（續）為了使應用程序能夠正常運轉，操作系統必須對其分配足夠的資源為了提高效率，操作系統必須支持多道程序設計合理調度和分配各種資源，充分發揮并行部件的性能，使各種部件和設備最大限度地執行操作和保持忙碌操作系統的作用(續)操作系統既是“管理員”，又是“服務員”對內作為“管理員”，做好計算機系統軟硬件資源的管理、控制與調度，提高系統效率和資源利用率對外作為“服務員”，是用戶和硬件之間的接口和人機界面，為用戶提供盡可能友善的運行環境和最佳服務處理機管理存儲管理設備管理文件管理網絡與通信管理用戶接口操作系統的功能操作系統的功能(續)處理器管理：處理器管理有兩個主要工作處理中斷事件(P68)處理器調度(P118)操作系統的功能(續)具體包括：進程控制和管理(P103)進程同步和互斥(P173)進程通信和死鎖(P190)線程控制和管理(P106)處理器（進程）調度(P119)高級（作業）調度中級（中程）調度低級（進程）調度操作系統的功能(續)操作系統對處理器的管理策略不同形成了不同的處理方式批處理方式分時處理方式實時處理方式存儲管理：存儲管理具有四大功能：

存儲分配存儲共享地址轉換與存儲保護存儲擴充

操作系統的功能(續)操作系統的功能(續)設備管理：設備管理具有以下功能：

提供設備中斷處理

提供緩沖區管理提供設備獨立性，實現邏輯設備到物理設備之間的映射外圍設備的分配與回收實現共享型設備的驅動調度

實現虛擬設備文件管理：文件管理要完成以下任務：

提供文件邏輯組織方法提供文件物理組織方法提供文件的存取方法提供文件的使用方法實現文件的目錄管理實現文件的共享和安全性控制實現文件的存儲空間管理操作系統的功能(續)網絡與通信管理：聯網操作系統應具有以下管理功能：網上資源管理功能數據通信管理功能網絡管理功能，包括:故障管理安全管理性能管理記帳管理配置管理操作系統的功能(續)操作系統的功能(續)用戶接口：操作系統向用戶提供的一組使用其功能的手段，包括兩大類：程序接口操作接口1.1.4

操作系統的主要特性操作系統主要有四個基本特征：

并發性共享性異步性虛擬性并發性（Concurrence）指兩個或兩個以上的事件或活動在同一時間間隔內發生并行性（parallelism）指兩個或兩個以上事件或活動在同一時刻發生

并發性

并發性(續)操作系統的并發性指計算機系統中同時存在若干個運行著的程序（包括操作系統程序和用戶程序），這些程序交替、穿插地執行發揮并發性能夠消除系統中部件和部件之間的相互等待，有效地改善系統資源的利用率，改進系統的吞吐量，提高系統效率并發性(續)利用并發技術可以使多個I/O設備同時輸入輸出，也可使設備I/O與CPU的計算同時進行并發的實質是一個物理CPU(也可以多個物理CPU)在若干道程序之間多路復用，并發性是對有限物理資源強制行使多用戶共享以提高效率在多處理器系統中，程序的并發性不僅體現在宏觀上，而且體現在微觀上，這稱為并行在多道程序環境下，并行性使多個程序同一時刻可在不同CPU上同時執行并行的事件或活動一定是并發的，并發的事件或活動未必是并行的，并行性是并發性的特例，并發性是并行性的擴展并發技術的關鍵在于如何對系統中多個運行程序（進程）進行切換并發性(續)并發性(續)并發雖然可以改善系統效率但也帶來一系列問題：怎樣從一個程序切換到另一個程序以什么樣的策略來選擇下一個運行的程序如何將各個運行的程序隔離開來怎樣讓多個運行程序互通消息和協作完成任務怎樣協調多個運行程序對資源的競爭多個運行程序共享文件數據時，如何保證數據的一致性引入“進程”概念實現并發性

進程能清晰刻劃操作系統中的并發性，實現并發活動的執行，因而，它已成為現代操作系統的一個重要基礎共