北京大学陈向群教授详解操作系统原理与进程管理

北京大学计算机科学技术系陈向群教授的《操作系统》课程课件深入讲解了操作系统的基本概念、功能以及工作原理。本课程内容涵盖了操作系统的核心要素，如定义、作用、主要特征、典型架构和分类。 1. **操作系统定义与作用**： 操作系统是计算机系统与用户之间的接口，负责管理和控制计算机的硬件资源，包括处理器、内存、输入输出设备等。它的主要作用是提供抽象层次，使得复杂的硬件操作对用户变得直观易用，同时确保资源的有效利用和安全性。 2. **操作系统的主要特征**： - **并发性**：允许多个任务或进程在同一时间运行，通过调度机制实现资源的公平分配。 - **虚拟化**：为用户提供一个抽象的、独立于硬件的环境，隐藏底层硬件细节。 - **分层结构**：包含内核层和用户空间，内核处理核心任务，用户空间则运行应用程序。 - **系统调用**：用户程序与操作系统之间的通信方式，如执行系统功能如显示、文件操作等。 3. **典型操作系统的架构**： - **用户态/内核态**：区分用户程序的正常执行和操作系统内部的特权模式。 - **进程管理**：负责进程创建、调度、同步和通信。 - **存储管理**：内存分配、保护和回收，支持虚拟内存技术。 - **文件系统**：负责组织和管理文件，以及数据的持久化存储。 4. **操作系统的分类**： - **批处理系统**：顺序执行任务，不交互式。 - **分时系统**：多个用户共享，每个用户获得一定时间片。 - **实时系统**：对响应时间有严格要求，如飞行控制系统。 - **网络操作系统**：支持多台计算机之间的通信和资源共享。 5. **操作系统与程序执行过程**： - 用户程序（如C程序helloworld）通过命令行或程序启动机制告知操作系统执行。 - 操作系统加载并定位程序代码和数据，创建进程，设置CPU上下文。 - 遇到缺页异常时，操作系统进行内存管理，分配物理内存并加载数据。 - 程序执行系统调用，如显示字符串，操作系统协调其他模块如设备驱动和窗口系统完成相应操作。 6. **进程和存储管理**： - 进程是操作系统的基本执行单元，拥有自己的内存空间和资源。 - 存储管理确保程序运行期间所需的内存被合理分配和回收，同时支持数据的共享和保护。 7. **操作系统功能调用**： 用户程序通过系统调用来请求特定服务，如I/O操作、内存管理等。操作系统负责处理这些请求，并在必要时返回控制权。 总结来说，这门课程深入剖析了操作系统在现代计算机体系结构中的关键角色，通过实例演示展示了操作系统如何在后台管理复杂的计算机资源，以支持用户交互和高效地执行任务。这对于理解计算机系统内部运作，特别是对希望进一步研究或从事相关领域的学生来说，具有很高的学习价值。