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操作系统

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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

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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