山东专升本操作系统讲义上n.docx
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山东专升本操作系统讲义上n
操作系统讲义（上）
第一章操作系统概述
主要知识点：
一、操作系统的目标和作用
计算机系统由硬件和软件两部分组成。
操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件的首次扩充。
1．操作系统的目标：
有效性，方便性，可扩充性，开放性。
2．操作系统的作用
（1）从一般用户的观点看，OS是用户与计算机硬件系统之间的接口。
OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。
OS是一个系统软件，因此是软件接口，用户通过命令方式，系统调用方式和图形、窗口方式来使用计算机。
（2）从资源管理的观点看，OS是计算机系统资源的管理者。
资源可分为处理器，存储器，I/O设备以及信息（数据和程序）。
OS主要是对这四类资源进行有效的管理。
（3）OS实现了对计算机资源的抽象，隐藏了对硬件操作的细节，使用户更方便地使用机器。
二、操作系统的发展过程
表1.1操作系统的发展过程
操作系统的产生
无操作系统时的计算机系统（40年代）
单道批处理（50年代）
操作系统的形成
多道批处理（60年代初）
分时系统（60年代中）
实时操作系统（60年代中）
微机操作系统的发展
单用户单任务操作系统（CP/M，MS-DOS）
单用户多任务操作系统（Windows）
多用户多任务操作系统（UNIX，SolarisOS,Linux）
1．无操作系统时的计算机系统
（1）电子管计算机（1946~1958），无操作系统，由手工控制作业的输入输出，通过控制台开关启动程序运行。
缺点：
用户独占全机，CPU等待人工操作。
（2）脱机输入/输出方式（Off-LineI/O），事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带上的数据（程序）输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上将其高速地调入内存。
CPU需要输出时，CPU直接高速地把数据从内存送到磁带上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。
程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的，是在脱离主机的情况下进行的，所以称为脱机输入/输出方式。
优点：
减少了CPU的空闲时间，提高I/O速度。
2．单道批处理系统
（1）单道批处理系统的工作过程：
用户将作业交到机房，操作员将一批作业输入到辅存（如磁带）上，形成一个作业队列。
当需要调入作业时，由监控程序从这一批中选一道作业调入内存运行。
当这一作业完成时，监控程序调入另一道程序，直到这一批作业全部完成。
（2）单道批处理系统：
系统对作业的处理都是成批地进行的、且在内存中始终只保持一道作业。
（3）单道批处理系统的特征：
自动性，顺序性，单道性。
在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。
3．多道批处理系统
（1）多道程序设计技术：
在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。
引入多道程序设计技术的好处：
1）提高CPU的利用率；2）提高内存和I/O设备的利用率；3）增加系统吞吐量。
（2）多道批处理系统：
用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。
（3）多道批处理系统的特征：
1）多道性：
在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行；2）无序性：
多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间，并无严格的对应关系；3）调度性：
作业从提交给系统开始直至完成需要经过两次调度：
作业调度和进程调度。
（4）多道批处理系统的优缺点：
1）资源利用率高；2）系统吞吐量大；3）平均周转时间长；4）无交互能力。
（5）操作系统的定义：
操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。
4．分时系统
（1）引入原因：
推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：
人-机交互、共享主机、方便上机。
（2）概念：
分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可以通过自己的终端以交互的方式使用计算机。
（3）关键问题：
为实现分时系统，其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。
（4）改变方法：
为了实现人机交互，必须彻底改变原来的批处理系统的运行方式：
（1）用户作业直接进入内存；
（2）不允许一个作业长期占有处理机，为此规定每个作业只运行一个很短的时间（时间片），然后暂停该作业的运行，立即调度下一个程序运行。
（5）分时系统的特征：
多路性（即同时性）：
允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。
独立性：
每个有用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。
及时性：
用户的请求能在很短时间内获得响应。
交互性：
用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。
5．实时系统
（1）实时系统是指系统能及时（或即时）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运行。
它主要应用于实时控制系统（如飞机自动驾驶，核反应堆）和实时信息处理系统（如飞机订票）。
（2）实时任务的分类
按任务执行时是否呈现周期性来划分：
周期性实时任务和非周期性实时任务。
按对截止时间的要求来划分：
它又可分为硬实时任务和软实时任务。
硬实时任务是系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果，如化学反应的控制系统。
软实时任务也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大，如数字视频、音频处理系统。
（3）实时系统与分时系统特征的比较：
①多路性；②独立性；③及时性；④交互性；⑤可靠性。
6．微机操作系统的发展
（1）单用户单任务操作系统
只允许一个用户上机，且只允许用户程序作业一个任务运行。
主要配置在8位和16位微机上。
最有代表性的单用户单任务操作系统是CP/M（8位）和MS—DOS（16位）。
（2）单用户多任务操作系统
只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。
最有代表性的单用户多任务操作系统是微软公司推出的Windows。
（3）多用户多任务操作系统
允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
UNIXOS是美国电报电话公司的Bell实验室开发的，已被广泛应用于多种中、小型机上。
现在最有影响的两个能运行在微机上的UNIX操作系统的变型是SolarisOS和LinuxOS，后者源代码是公开的。
三、操作系统的基本特性
1．并发性。
并发是指在内存中放多道作业，在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进，但在任何一个时间点上只能有一道占用CPU。
并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，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，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。
为了实现程序并发执行引入了进程，进程是可以并发执行的，同时使CPU和I/O设备可以并行工作。
2．共享性
共享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。
两种共享方式：
（1）互斥共享方式（如打印机），一段时间内只允许一个进程访问
（2）同时访问方式（如磁盘设备）允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。
3．虚拟性
虚拟是指通过某种技术把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。
虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。
时分复用技术：
分时使用某个设备提高其利用率，如虚拟处理机（多道程序设计技术），虚拟设备（SPOOLing技术）。
空分复用技术：
主要提高存储空间的利用率，如虚拟磁盘技术，虚拟存储器技术。
4．异步性
异步性指在多个进程并发执行过程中，各个进程运行时间、运行顺序具有不确定性，进程以不可预知的速度向前推进。
在有些课本中称之为不确定性。
四、操作系统的主要功能
1．处理机管理功能
处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行有效的控制和管理。
处理机的分配和运行都是以进程为基本单位。
因此对处理机的管理可归结为对进程的管理。
处理机管理功能包括进程控制、进程同步、进程通信、调度。
2．存储器管理功能
存储器管理的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上扩充内存。
存储器管理要具备下列功能：
内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充。
3．设备管理功能
设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备，而设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。
设备管理应具有功能：
缓冲管理，设备分配，设备处理，设备独立性和虚拟设备
4．文件管理功能
文件管理的主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度。
文件系统管理的功能：
文件存储空间管理，目录管理，文件的读/写管理和保护
5．操作系统与用户之间的接口
（1）用户接口：
提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务，可分为联机用户接口，脱机用户接口，图形用户接口。
（2）程序接口：
提供给程序员在编程时使用的接口，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。
它是由一组系统调用组成的，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序。
五、OS结构设计
1．传统的操作系统结构
（1）无结构操作系统
（2）模块化结构OS：
该技术是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。
将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。
（3）分层式结构OS：
从物理机器开始，在其上面先添加一层具有一定功能的软件A1,由于A1是建立在完全确定的物理机器上的，在经过精心设计和几乎是穷尽无遗的测试后，可以认为A1是正确的；然后再在A1上添加一层新软件A2，……，如此一层一层地自底向上增添软件层，每一层都实现若干功能，最后总的构成一个能满足需要的OS。
2．微内核结构
所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般的OS（程序）不同，它更小更精炼，它不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存。
微内核并非是一个完整的OS，而只是为构建通用OS提供一个重要基础。
微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、低级存储器管理、中断和陷入处理。
微内核结构特征：
以微内核为OS核心，以客户/服务器为基础，采用面向对象的程序设计方法。
第二章进程管理
主要知识点：
一、进程的基本概念
1.一个程序通常由若干个程序段组成，这些程序段必须按照某种先后次序执行，仅当前一个操作（程序段）执行完后才能执行后继操作，这类计算过程就是程序的顺序执行过程。
程序顺序执行的特征：
顺序性，封闭性，可再现性。
2．前趋图
前趋图是一个有向无循环图，图中的每个结点可以表示一条语句、一个程序段或一个进程，结点间的有向边表示两个结点之间存在的偏序或前趋关系“”：
={（Pi,Pj）|Pj必须在Pj开始执行之前完成}
3.程序的并发执行
程序的并发执行是指若干个程序（或程序段）同时在系统中运行，这些程序（或程序段）的执行在时间上是重叠的，即一个程序（或程序段）的执行尚未结束，另一个程序（或程序段）的执行已经开始。
程序并发执行时有如下特征：
（1）间断性。
程序并发执行时，由于需要共享资源或为完成同一项任务而相互合作，致使并发程序之间形成了相互制约的关系。
这些相互制约的关系将导致并发程序具有“执行-暂停-执行”这种间断性的活动规律。
（2）失去封闭性。
程序并发执行时，共享系统中的各种资源，这些资源的状态将由多个程序来改变，这将致使程序的运行失去封闭性。
因此，某程序执行时，必然会受到其他程序的影响。
（3）不可再现性。
程序并发执行时，由于失去了封闭性，也将失去运行结果的可再现性。
也就是说，对于同一个程序而言，即使其运行的初始条件相同，但当其重复执行时其运行结果可能不同。
4.进程的定义及特征
为使程序能并发执行，且为了对并发执行的程序加以描述和控制，引入了——进程。
进程具有以下几个基本特征：
（1）结构特征。
为了描述和记录进程的运行变化过程，并使之能正确运行，系统应为每个进程配置一个进程控制块。
这样，从结构上看，每个进程都由程序段、数据段和进程控制块三部分组成。
（进程实体）
（2）动态性。
进程是程序的一次执行过程，因而是动态的。
动态性还表现在它因创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，最后由撤消而消亡。
（最基本的特征）
（3）并发性。
多个进程同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。
（重要特征）
（4）独立性。
进程是一个能独立运行的基本单位，也是系统进行资源分配和调度的独立单位。
（5）异步性。
进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。
进程与程序的区别
（1）进程是程序在处理机上的一次执行过程，是一个动态的概念；而程序是代码的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是静态的概念。
（2）进程是一个状态变化的过程，是有生命周期的（因创建而产生，因调度而执行，因得不到资源而暂停等，因撤消而消亡）；而程序是永久的，可以长久保存。
（3）进程与程序的组成不同。
进程是由程序、数据和进程控制块组成的；程序仅是代码的有序集合。
（4）进程与程序之间不是一一对应的。
通过多次运行，同一个程序可以对应多个进程；通过调用关系，一个进程可以包含多个程序。
5.进程状态及其变化
进程执行时的动态特性决定了进程具有多种状态。
事实上，运行中的进程至少具有以下3种基本状态。
（1）就绪状态。
进程已获得除处理机以外的所有资源，一旦获得处理机就可以立即执行，这时进程所处的状态为就绪状态。
（2）执行状态。
当一个进程获得必要地资源并正在处理机上运行时，此进程所处的状态为执行状态。
执行状态又称运行状态。
（3）阻塞状态。
正在执行的进程，由于发生某事件而暂时无法继续执行（如等待输入/输出完成），此时进程所处的状态为阻塞状态。
阻塞状态又称等待状态或睡眠状态。
进程并非固定处于某一种状态，其状态会随着自身的运行和外界条件的变化而发生变化。
通常，可以用一个进程状态变化图来说明系统中每个进程可能具备的状态，以及引起状态发生变化的可能原因。
图2.1进程三状态转换图
（4）
挂起状态。
当用户在自己的程序运行期间发现有可疑问题时,希望暂时使自己的程序静止下来,这种静止状态称为挂起状态。
图2.2进程五状态转换图
（5）创建状态和终止状态
创建状态：
创建一个进程一般要通过两个步骤:
为一个新进程创建PCB，并填写必要的管理信息；把该进程转入就绪状态并插入就绪状态之中。
终止状态：
终止一个进程一般要通过两个步骤:
等待操作系统进行善后处理；将PCB清零，并将PCB空间返还系统。
创建状态连接就绪状态；终止状态连接执行状态
图2.3进程加入创建，终止状态转换图
6.进程控制块
为了管理和控制进程的运行，系统为每个进程定义了一个数据结构—进程控制块（ProcessControlBlock,PCB），用于记录进程的属性信息。
当创建一个进程时，系统为该进程建立一个PCB：
当进程执行时，系统通过其PCB了解进程的现行状态信息，以便对其进行控制和管理：
当进程结束时，系统收回其PCB，该进程随之消亡。
由此可见，系统根据PCB感知进程的存在，PCB是进程存在的唯一标志。
PCB所包含的内容：
进程标识符，处理机状态，进程调度信息，进程控制信息
在一个系统中，通常存在许多进程，为了对它们进行有效管理，应该用适当方法将PCB组织起来。
目前常用链表或表格将PCB组织起来。
二、进程控制
进程控制的职责是对系统中的所有进程实施有效地管理。
其功能包括进程的创建、进程的撤销、进程的阻塞与唤醒等，进程的挂起与激活。
这些功能一般由操作系统内核的原语实现。
进程控制功能通过执行各种原语来实现。
原语是由若干条机器指令构成的、用以完成特定功能的一段程序。
原语在执行期间不可分割，所以原语操作具有原子性。
1.进程创建
引起创建进程的事件：
用户登录，作业调度，提供服务，应用请求。
进程创建过程：
先向系统申请一个空闲PCB，并为子进程分配必要地资源，然后将子进程的PCB初始化，并将此PCB插入就绪队列，最后返回一个进程标识号（即子进程的进程标识号）。
2．进程终止
引起进程终止的事件：
正常结束，异常结束，外界干预
进程终止过程：
先从PCB集合中找到被撤消进程的PCB，若被撤消进程正处于执行状态，则立即停止该进程的执行，并设置重新调度标志，以便进程撤消后将处理机分配给其他进程。
若被撤消进程有子孙进程，还应将该进程的子孙进程予以撤消。
对于被撤消进程所占有的资源，或者归还给父进程，或者归还给系统。
最后撤消其进程控制块。
3.进程阻塞与唤醒
阻塞原语的作用是将进程由执行状态转换为阻塞状态，而唤醒原语的作用则是将进程由阻塞状态变为就绪状态。
引起进程阻塞和唤醒的事件：
请求系统服务，启动某种操作，新数据尚未到达，无新工作可做。
进程阻塞过程：
在阻塞一个进程时，由于该进程正处于执行状态，故应中断处理机，保存该进程的CPU现场，停止运行该进程，然后将该进程插入到相应事件的等级队列中，再从就绪队列中选择另外一个进程投入运行。
进程唤醒过程：
将被唤醒进程从相应的等待队列中移出，将状态改为就绪并插入就绪队列。
注意：
一个进程由执行状态转变为阻塞状态，是这个进程自己调用阻塞原语去完成的，而进程由阻塞状态转变为就绪状态，是另一个发现者进程调用唤醒原语实现的。
一般这个发现者进程与被唤醒进程是合作的并发进程。
三、进程同步
并发执行的进程之间存在着不同的相互制约关系，为了协调进程之间的相互制约关系，就需要实现进程的同步。
两种制约关系：
直接制约（资源共享，互斥关系），间接制约（进程合作，同步关系）
1.临界资源
一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
许多物理设备都属于临界资源，如打印机、绘图机等。
除物理设备外，还有许多变量、数据等都可以被若干进程共享，它们也属于临界资源。
在每个进程中，访问临界资源的那段程序称为临界区。
为了保证临界资源的正确使用，可以把临界资源的访问分为四个部分：
（1）进入区。
为了进入临界区使用临界资源，在进入区检查可否进入临界区；如果可以进入临界区，则应设置正在访问临界区的标志，以阻止其他进程同时进入临界区。
（2）临界区。
进程中访问临界资源的那段代码，又称临界段。
（3）退出区。
将正在访问临界区的标志清除。
（4）剩余区。
代码中的其余部分。
2.同步机制应遵循的规则
（1）空闲让进。
当没有进程处于临界区时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区。
（2）忙则等待。
当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待。
（3）有限等待。
对要求访问临界资源的进程，应保证能在有限时间内进入临界区。
（4）让权等待。
当进程不能进入临界区时，应释放处理机。
3.信号量机制
1）记录型信号量S是一个确定的二元组，其中S.value是一个具有非负初值的整型变量，S.L是一个初始状态为空的队列，用来记录因该信号量而处于阻塞状态的进程。
整型变量S.value表示系统中某类资源的数目，当其值大于0时，表示系统中当前可用资源的数目；当其值小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目。
除信号量的初值外，信号量的值仅能有P操作（又称Wait操作）和V操作（又称Signal操作）改变。
一个信号量的建立必须经过说明，即应该准确说明S的意义和初值（注意：
这个初值不是一个负值）。
每个信号量都有相应的队列，在建立信号量时，队列为空。
P、V操作以原语方式实现，信号量的值仅能由这两条原语加以改变。
P、V操作的定义如下：
（1）P操作。
P操作记为P（S），其中S为一个信号量，它执行时主要完成下述动作：
·S=S-1；
·若S﹤0阻塞该进程，并将它插入该信号量的等待队列中。
（2）V操作。
V操作记为V（S）,S为一个信号量，它执行时主要完成下述动作：
••S=S+1;
•若S≤0从信号量等待队列中移出一个进程，使其变为就绪状态并插入就绪队列，然后再返回原进程继续执行。
2）AND型信号量
3）信号量集
4）管程
4.利用信号量实现互斥
利用信号量能方便的实现进程互斥。
设S为两个进程P1、P2实现互斥地信号量，由于每次只允许一个进程进入临界区，所以S的初值应为1（即可用资源数目为1）。
只需要把临界区置于P（S）和V（S）之间，既可以实现两个进程的互斥。
互斥访问临界区的描述如下：
5.利用信号量实现前趋关系
设有两个并发执行的进程P1，P2，P1中有语句S1，P2中有语句S2，若希望在S1执行后再执行S2，实现此同步关系，设一个同步信号量S，初值为0，在S1语句后加V（S），在S2语句前加P（S）。
用信号量来解决前趋图中描述的复杂的前趋关系。
四、经典进程同步问题
生产者-消费者问题
哲学家进餐问题
读者-写者问题
五、进程通信
进程间的信息交换称为进程通信。
前面介绍的进程互斥与同步就是一种进程间的通信方式。
由于进程互斥与同步交换的信息量减少且效率较低，因此称这两种通信方式为低级进程通信方式，相应地也将P、V原语称为两条低级进程通信原语。
高级进程通行方式是指进程之间较高的效率传送大量数据。
1.进程通信的类型
高级进程通信方式可以分为三大类：
共享存储器系统、消息传递系统以及管道通信系统。
（1）共享存储器系统
为了传输大量数据，在存储器中划出一块存储区诸进程可以通过对共享存储区进行读或写来实现通信。
进程在通信前，应向系统申请建立一个共享存储区，并指定该共享存储区的关键字；若该共享存储区以建立，则将该共享存储区的描述符给申请者。
然后，申请者把获得的共享存储区附接到本进程的地址空间上，这样，进程便可以像读写不同存储器一样地读写共享存储区。
（2）消息传递系统
在消息传递系统中，进程间的数据交换以信息为单位，程序员直接利用系统提供的组通信命令（原语）来实现通信。
操作系统隐藏了通信实现的细节，大大简化了通信程序编制的复杂性，因而获得了广泛的应用。
消息传递机制因其实现方式不同又可以分为：
①直接通信方式。
发送进程直接把消息发送给接受进程，并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上，接受进程从消息缓冲队列中取得信息。
②间接通信方式。
发送进程把消息发送给中间某个实体中，接收实体从中间实体中取得消息。
这种中间实体一般称为信箱，故这种通信方式也称为信箱通信方式。
信箱通信方式广泛应用于计算机网络中，现称为电子邮件系统。
两种方式的主要区别：
a.发送和接收原语。
直接通信原语为send（receiver,message）,receive（sender,message）；
间接通信原语为send（mailbox,message）,receive（mailbox,message）；它还需要提供有关信箱创建和撤消的原语。
b.提供对方
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