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一、操作系统引论
二、进程管理
三、处理机调度与死锁
四、存储器管理
五、设备管理
六、文件管理
一、操作系统引论
目前存在着多种类型的 OS,不同类型的 OS,其目标各有所侧重。通常在计算机硬
件上配置的 OS,其目标有以下几点:
1. 方便性
2. 有效性
3. 可扩充性
4. 开放性
作为软件接口,给用户提供三种方式:
(1) 命令方式。这是指由 OS 提供了一组联机命令(语言), 用户可通过键盘输
入有关命令,来直接操纵计算机系统。
(2) 系统调用方式。OS 提供了一组系统调用,用户可在自己的应用程序中通过
相应的系统调用,来操纵计算机。
(3) 图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行
自己的程序。
在一个计算机系统中,通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源
分为四类:处理器、存储器、 I/O 设备以及信息(数据和程序)。相应地,OS 的主要
功能也正是针对这四类资源进行有效的管理,即:(四类资源管理者)
处理机管理, 用于分配和控制处理机;
存储器管理,主要负责内存的分配与回收;(最重要是内存管理)
I/O 设备管理,负责 I/O 设备的分配与操纵;
文件管理,负责文件的存取、共享和保护。
可见,OS 确是计算机系统资源的管理者。事实上,当今世界上广为流行的一
个关于 OS 作用的观点,正是把 OS 作为计算机系统的资源管理者。
OS 用作扩充机器
对于一台完全无软件的计算机系统(即裸机),即使其功能再强,也必定是难于
使用的。如果我们在裸机上覆盖上一层 I/O 设备管理软件,用户便可利用它所提供
的 I/O 命令,来进行数据输入和打印输出。此时用户所看到的机器, 将是一台比

裸机功能更强、使用更方便的机器。
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器(虚拟机)。如果我们又在第一层
软件上再覆盖上一层文件管理软件,则用户可利用该软件提供的文件存取命令,来进行
文件的存取。此时,用户所看到的是台功能更强的虚机器。如果我们又在文件管理软件
上再覆盖一层面向用户的窗口软件,则用户便可在窗口环境下方便地使用计算机,形成
一台功能更强的虚机器。
操作系统的发展过程
无操作系统的计算机系统 第一台计算机诞生(1945 年)到 50 年代中期的计算机,
属于第一代,这时还未出现 OS。
人工操作方式有以下两方面的缺点:
(1) 用户独占全机。 (2) CPU 等待人工操作。
单道批处理系统(50 年代)
过程:一批作业以脱机方式输入到磁带上,在监督程序的控制下连续处理。
该系统的主要特征如下:
(1) 自动性 无人工干预。(缺少人机交互的特性,但相比之前较好)
(2) 顺序性 按进入内存的先后执行。(很难实现程序间的合作性 共享)
(3) 单道性 内存中只保存一道作业。(资源利用率低、吞吐量少)
注:作业一般仅用于批处理操作系统中。整个过程从输入计算机外存开始到计算机
输出结果为止这一任务过程成为作业。
摩尔定律:每隔 18 个月,硬件数量增加一倍。
多道批处理系统(60 年代)
多道:内存中同时存放多个相互独立的程序。
多道技术是共享的基础。
(1) 多道性 内存中多道程序可并发执行。
(2) 无序性 完成时间和进入内存先后无关。
(3) 调度性 作业从提交(送到系统的外存)到完成经过两次调度。
1)作业调度 外存→内存(选多个)
2)进程调度 分配处理机(选 1 个)
多道批处理系统的优缺点 :
优点:
(1) 资源利用率高。
(2) 系统吞吐量大。
吞吐量:单位时间内完成的总工作量
吞吐量大的原因:(1)资源忙。
(2)完成或运行不下去时才切换。
缺点:
(3) 平均周转时间长。
作业周转时间:从作业进入系统开始到完成并退出系统经历的时间。
(4) 无交互能力。
修改和调试极不方便。
分时系统(60 年代)
定义:一台主机上连接了多个终端,同时允许多个用户通过自己的终端,以交互方

式使用计算机,共享主机的资源。
产生动力:
(1) 人—机交互。(边运行边调试)
(2) 共享主机。 (设备昂贵)
(3) 便于用户上机。(在终端上输入和控制)
特征:
(1) 多路性 即同时性,宏观上同时微观上轮流。
(2) 独立性 每个用户感觉独占主机。
(3) 及时性 较短时间响应(2-3 秒)。
(4) 交互性。
实时系统(60 年代)
所谓“实时”,是表示“及时”,而实时系统(Real-Time System)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
时任务协调一致地运行。
应用需求:
(1)实时控制:工业生产、武器控制飞机的自动驾驶
计算机操作系统的三种基本类型:多道批处理系统、分时系统、实时系统。
(2)实时信息处理:订票系统(加锁操作解决数据冗余)
操作系统的基本特征
并发性(最重要特征)
并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念,并行性是指两个或多个事件在同一
时刻发生;而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
(宏观并发微观串行)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,倘若在计算机系统中有多个处理机,则这些可以并发执行的
程序便可被分配到多个处理机上(多处理机系统:可能有并行。),实现并行执行,
即利用每个处理机来处理一个可并发执行的程序,这样,多个程序便可同时执行。
共享性
两种资源共享方式:
(1)互斥共享方式 对临界资源的访问
临界资源:在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资
源。如打印机、磁带机等硬件、栈、变量和表格等
(2)同时访问方式
多个进程同时访问的资源,如:磁盘、重写码写的文件。
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征
虚拟性
虚拟: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。如:虚
拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。
虚拟是通过分时来实现的。
在虚拟处理机技术中,是通过多道程序设计技术,让多道程序并发执行的方法,
来分时使用一台处理机的。此时, 虽然只有一台处理机,但它能同时为多个用户
服务,使每个终端用户都认为是有一个 CPU 在专门为他服务。亦即, 利用多道程
序设计技术,把一台物理上的 CPU 虚拟为多台逻辑上的 CPU,也称为虚拟处理机,

我们把用户所感觉到的 CPU 称为虚拟处理器。
异步性
进程以人们不可预知的速度向前推进。
操作系统的五大功能:
1. 处理机管理(硬件)
2. 存储器管理(硬件)
资源管理 3. 设备管理(硬件)
4. 文件管理(软件) 联机用户接口(有交互)
命令接口(用户和计算机系统之间) 脱机用户接口(无交互)
5. 用户接口 程序接口
图形接口
联机用户接口
适用:几乎所有计算机的操作系统中。
组成:命令+终端处理程序+命令解释程序
过程:用户在终端或控制台上每键入一条命令后,系统便立即转入命令解释程序,对该命令
加以解释并执行该命令。在完成指定功能后,控制又返回到终端或控制台上,等待用户键入
下一条命令。这样,用户可通过先后键入不同命令的方式,来实现对作业的控制,直至作业
完成。
用户在键盘上输入命令;
终端处理程序接收命令并显示在屏幕上;
命令解释程序解释并执行该命令。(操作系统的最高层)
脱机用户接口
适用:批处理系统。又称批处理用户接口。(由预输入过程)
组成:JCL+作业说明+命令解释程序
JCL:作业控制语言 Job Control Language
过程:用户把对作业的控制用 JCL 写在作业说明书上,命令解释程序按照作业说明书解释并
执行。
程序接口
目的:为用户程序访问系统资源而设置。(是用户程序取得操作系统服务的惟一途径)
组成:一组系统调用
系统调用:一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序。
操作系统的结构设计
第一代:无结构操作系统
第二代:模块化 OS 结构
第三代:分层式 OS 结构
第四代:微内核 OS 结构 (20 世纪 90 年代)
我们把第一代至第三代的 OS 结构, 称为传统的 OS 结构,而把微内核的 OS 结构称为
现代 OS 结构。
二、进程管理
进程的基本概念
程序在并发环境中的执行过程

资源分配和独立运行的基本单位
进程定义
进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配和调度的基本单位。
程序顺序执行时的特征
(1) 顺序性:处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行,即每一个操作必须在下一
个操作执行前结束。
(2) 封闭性: 程序在封闭环境下执行,结果不受外界环境影响。
(3) 可再现性:只要环境和初始条件相同,程序重复执行时总得到相同结果。
前趋图
前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图,记为 DAG(Directed Acyclic Graph),用于
描述进程之间执行的前后关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程,乃至一条语
句 ; 结 点 间 的 有 向 边 则 用 于 表 示 两 个 结 点 之 间 存 在 的 偏 序 (Partial Order) 或 前 趋 关 系
(Precedence Relation)“→”。
→={(Pi, Pj)|Pi must complete before Pj may start}, 如果(Pi, Pj)∈→,可写成 Pi→Pj,称
Pi 是 Pj 的直接前趋,而称 Pj 是 Pi 的直接后继。在前趋图中,把没有前趋的结点称为初始结
点(Initial Node),把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。
每个结点还具有一个重量(Weight),用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。
程序的并发执行
S
1
S
2
S
3
S
4
程序并发执行的特征
1) 间断性 共享、合作、制约导致:执行——暂停——执行
2) 失去封闭性 资源状态由多程序改变
3) 不可再现性 相同环境和初始条件,重复执行结果不同。
进程的特征
1) 结构特征
PCB 进程控制块(头脑,一定处于内存当中)→动态特征的集中反映 Process Control Block
程序段 → 描述要完成的功能
数据段 → 操作对象及工作区
程序段和数据段可能存储与外存中,运行过程中从外存动态调入
2) 动态性
进程最基本的特征是动态性。
进程的生命周期:进程由创建而产生,由调度而执行,有撤销而消亡的过程。
3) 并发性:多个进程同在内存中,且能在一段时间同时运行。
4) 独立性:进程是一个能独立运行、独立分配资源、独立接收调度的基本单位。
5) 异步性:进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。
进程和程序的关系
(1)进程是一个动态概念,程序是一个静态概念。
(2)进程具有并行特征,程序没有。
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