第4章-操作系統(tǒng)

計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論龔捷西南石油大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院電郵：gongjie.swpu@電話言計算機(jī)硬件系統(tǒng)各類應(yīng)用軟件網(wǎng)絡(luò)瀏覽、游戲、影音娛樂、機(jī)票預(yù)定、銀行業(yè)務(wù)、文字處理、數(shù)據(jù)管理……操作系統(tǒng)

第4章操作系統(tǒng)幾個重要問題4.操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成3.操作系統(tǒng)的功能2.什么是操作系統(tǒng)1.常用操作系統(tǒng)5.一、什么是操作系統(tǒng)最靠近硬件的軟件讓用戶無需了解計算機(jī)內(nèi)部工作原理而使用計算機(jī)分配、管理、調(diào)度計算機(jī)的各類硬、軟件資源硬、軟件之間的接口和橋梁復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)軟件通常存放于輔存中必須經(jīng)過引導(dǎo)才能開始工作操作系統(tǒng)OS：OperatingSystem系統(tǒng)上電BIOS自檢正常？引導(dǎo)OS內(nèi)核OS工作系統(tǒng)提示錯誤NoYesBasicI/OSystem通常存放于ROMBoot從外存讀入內(nèi)存OS的由來計算機(jī)的手工操作階段

任務(wù)簡單，對資源利用率要求不高，沒有OS的需求或概念批處理操作階段

應(yīng)用面擴(kuò)大，需要對同一批次的作業(yè)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度搜集作業(yè)作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)n制作卡片寫磁帶讀磁帶運(yùn)行作業(yè)寫磁帶讀磁帶打印結(jié)果散發(fā)結(jié)果結(jié)果1結(jié)果2結(jié)果n......控制程序：OS的雛形問題：CPU效率較低1、若某個作業(yè)僅進(jìn)行簡單的I/O操作？2、若多個作業(yè)都要求排隊靠前？多道程序運(yùn)行階段

應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)生改變，對CPU的利用率要求提高內(nèi)存作業(yè)1作業(yè)2作業(yè)3作業(yè)調(diào)度問題：用戶無法自己與作業(yè)交互1、若負(fù)責(zé)機(jī)票預(yù)定的職員在處理業(yè)務(wù)？2、若用戶在撰寫一個文檔？3、若用戶在玩游戲？4、……分時操作階段提供多個用戶與單個CPU的各自獨(dú)立交互功能終端2終端3終端4終端5終端1主機(jī)OS:資源管理 人機(jī)交互Unix最著名的分時OS分時操作：多個任務(wù)在微觀上串行，但宏觀上并行又稱為并發(fā)操作現(xiàn)代操作系統(tǒng)個人電腦的普及促進(jìn)了操作系統(tǒng)的發(fā)展DOS、Windows、Linux……網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)屏蔽網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的異構(gòu)特性，提供統(tǒng)一通信協(xié)議分布式操作系統(tǒng)在分布式環(huán)境中為用戶提供透明的統(tǒng)一資源管理服務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對外界請求（即人機(jī)交互）的響應(yīng)速度嵌入式操作系統(tǒng)具有較少功能，但在體積、功耗、響應(yīng)等方面要求較高手機(jī)中的OS：Symbian、Android、WindowsPhone7……

二、操作系統(tǒng)的功能軟件資源硬件資源兩大功能：資源管理、人機(jī)交互程序/數(shù)據(jù)/文檔存儲器處理器I/O設(shè)備用戶接口操作系統(tǒng)人機(jī)交互資源管理處理器：處理機(jī)管理、任務(wù)管理任務(wù)調(diào)度為各個任務(wù)分配CPU時間片，在任務(wù)之間進(jìn)行切換任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3CPU時間軸如何分配？怎樣調(diào)度？有沒有問題？不同系統(tǒng)、不同情況下的策略不同1.若任務(wù)的實(shí)時性要求不同，應(yīng)平等分配嗎？2.若任務(wù)需等待外部事件后才能繼續(xù)，還應(yīng)再分配嗎？3.在多個等待執(zhí)行的任務(wù)中，應(yīng)選擇哪一個繼續(xù)呢？4.當(dāng)執(zhí)行過程中出現(xiàn)更高優(yōu)先級任務(wù)，應(yīng)如何處理呢？任務(wù)的優(yōu)先權(quán)搶奪調(diào)度：實(shí)時OS的特征處理機(jī)管理的目標(biāo)：合理調(diào)度多個任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對處理機(jī)資源的高效利用存儲器：內(nèi)存管理內(nèi)存程序代碼區(qū)程序1程序2考慮單任務(wù)環(huán)境下的內(nèi)存管理數(shù)據(jù)區(qū)程序3相對比較簡單存儲器：內(nèi)存管理內(nèi)存程序1程序2程序3考慮多任務(wù)環(huán)境下的內(nèi)存管理考慮單任務(wù)環(huán)境下的內(nèi)存管理內(nèi)存分配為每個任務(wù)的運(yùn)行分配內(nèi)存空間當(dāng)任務(wù)結(jié)束時，回收其內(nèi)存空間并統(tǒng)一管理任務(wù)間保護(hù)保護(hù)多個用戶程序之間不會相互影響保護(hù)用戶程序不會影響系統(tǒng)程序思考：若程序所需內(nèi)存量超過實(shí)際可用內(nèi)存量，應(yīng)怎么處理？采用虛擬存儲，將執(zhí)行程序的一部分常駐內(nèi)存，其它部分則根據(jù)需要在內(nèi)、外存之間切換需實(shí)現(xiàn)由邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換或映射存儲管理：很大程度上影響到處理機(jī)管理I/O設(shè)備：設(shè)備管理提供用戶程序和外設(shè)之間的接口分配設(shè)備啟動設(shè)備回收設(shè)備屏蔽I/O設(shè)備與CPU的速度差異數(shù)據(jù)緩沖虛擬設(shè)備技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性用戶無需了解設(shè)備的具體特性，而能夠采用一種通用的方式實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備的操作例如：虛擬打印機(jī)例如：Print程序/數(shù)據(jù)/文檔：文件管理、信息管理文件：File將邏輯完整的信息資源（程序和數(shù)據(jù)）組織成一個個單體，存放在輔存中，并為其賦予一個名字文件名：基本名.擴(kuò)展名區(qū)別不同文件類型提供用戶對文件的操作創(chuàng)建、打開、讀寫、刪除、關(guān)閉、檢索、修改……保證文件的安全性共享、保密、保護(hù)、可靠性……對輔存空間進(jìn)行管理分層（樹形）結(jié)構(gòu)：分區(qū)→文件夾（目錄）→文件程序/數(shù)據(jù)/文檔：文件管理、信息管理硬盤C:D:E:WindowsMusic周杰倫Systemver.dll01.wma02.mp3該文件的路徑c:\windows\system\ver.dllOS的虛擬機(jī)功能：VirtualMachine如果沒有操作系統(tǒng)？用戶必須直接面對硬件進(jìn)行復(fù)雜的程序設(shè)計！任務(wù)管理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件管理人機(jī)交互用戶面對的是什么機(jī)器？三、操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成主要功能組件任務(wù)管理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件管理人機(jī)交互調(diào)度程序分派程序內(nèi)存管理程序設(shè)備驅(qū)動程序文件管理程序用戶接口程序OS內(nèi)核kernel核心態(tài)用戶態(tài)OS的工作在兩種狀態(tài)間不斷切換命令接口Shell：命令解釋器，命令腳本語言GUI：GraphicalUserInterface，圖形用戶接口編程接口系統(tǒng)調(diào)用：通過編號調(diào)用OS的眾多內(nèi)部例程用戶接口程序：提供人機(jī)交互Windows“命令提示符”……SystemCall……系統(tǒng)調(diào)用表用戶態(tài)核心態(tài)系統(tǒng)例程系統(tǒng)調(diào)用向用戶屏蔽了OS的內(nèi)部細(xì)節(jié)不同OS所提供的系統(tǒng)調(diào)用不同調(diào)度程序與分派程序：協(xié)調(diào)進(jìn)程管理進(jìn)程：現(xiàn)代操作系統(tǒng)最核心的概念之一進(jìn)程：Process，執(zhí)行中的程序具有動態(tài)行為特征：位置與現(xiàn)場（PC、寄存器、存儲器）具有并發(fā)操作特征：同一程序可以有多個進(jìn)程執(zhí)行具有三種工作狀態(tài)：運(yùn)行Run、就緒Ready、等待Wait多個進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行存在什么問題？對系統(tǒng)資源的沖突和競爭

調(diào)度程序與分派程序:調(diào)度進(jìn)程狀態(tài)、分派進(jìn)程執(zhí)行內(nèi)存調(diào)度程序Scheduler：跟蹤進(jìn)程P0表項(xiàng)P1表項(xiàng)P1的起始地址P1的優(yōu)先權(quán)P1的當(dāng)前狀態(tài)P0P1P2進(jìn)程表OSKernelP2表項(xiàng)當(dāng)啟動任務(wù)2時，由S添加相應(yīng)進(jìn)程表項(xiàng)當(dāng)結(jié)束任務(wù)0時，由S刪除相應(yīng)進(jìn)程表項(xiàng)當(dāng)進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生變化時，由S修改相應(yīng)表項(xiàng)當(dāng)進(jìn)程優(yōu)先權(quán)發(fā)生變化時，由S修改相應(yīng)表項(xiàng)不難看出：任何時候，進(jìn)程表中只有一個表項(xiàng)狀態(tài)為Run進(jìn)程池Scheduler分派程序Dispatcher：切換進(jìn)程P0P1Pn-2程序計數(shù)器PCPx■運(yùn)行進(jìn)程

■就緒進(jìn)程

■等待進(jìn)程

Dispatcher中斷服務(wù)程序時間片定時器定時到！P2Pn-1P0P1切換P3P1切換切換切換CPU時間軸中斷中斷中斷中斷進(jìn)程切換、上下文切換：顯然會產(chǎn)生額外開銷，但多任務(wù)分時操作的高效率如何體現(xiàn)？內(nèi)存管理程序：協(xié)調(diào)內(nèi)存使用內(nèi)存OSKernel最簡單的管理：單一分區(qū)除OS外，存儲空間僅分配給一個進(jìn)程使用缺陷：內(nèi)存利用率不高、不能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)

更有效的管理：多分區(qū)空間被劃分為多個分區(qū)并提供給多個進(jìn)程分區(qū)1(16MB)分區(qū)2(16MB)分區(qū)3(16MB)分區(qū)4(16MB)方法1：大小相同的固定分區(qū)方法2：大小不同的固定分區(qū)分區(qū)1(2MB)分區(qū)2(4MB)分區(qū)3(8MB)分區(qū)4(32MB)問題？

對并發(fā)執(zhí)行進(jìn)程數(shù)量的影響？

方法3：按進(jìn)程的需求和內(nèi)存的狀況動態(tài)分配內(nèi)存管理程序：協(xié)調(diào)內(nèi)存使用內(nèi)存OSKernel最簡單的管理：單一分區(qū)除OS外，存儲空間僅分配給一個進(jìn)程使用缺陷：內(nèi)存利用率不高、不能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)

更有效的管理：多分區(qū)空間被劃分為多個分區(qū)并提供給多個進(jìn)程P1(8MB)方法1：大小相同的固定分區(qū)方法2：大小不同的固定分區(qū)問題？

對并發(fā)執(zhí)行進(jìn)程數(shù)量的影響？

方法3：按進(jìn)程的需求和內(nèi)存的狀況動態(tài)分配P2(16MB)P3(4MB)P4(2MB)P5(64MB)隨時間的推移？

內(nèi)存分配需解決的2個主要問題

分配效率、減少碎片

分頁機(jī)制：將內(nèi)存和進(jìn)程需求以頁為單位劃分海量輔存1024MB虛存512MB內(nèi)存內(nèi)存管理程序：協(xié)調(diào)內(nèi)存使用Page0Page1Page2Pagen-1內(nèi)存管理程序Page0Page1Pagei現(xiàn)代內(nèi)存管理的重要任務(wù)虛擬存儲

我需要1GB內(nèi)存通過頁面調(diào)度：可保證虛存中的任何一頁都進(jìn)入到內(nèi)存中設(shè)備驅(qū)動程序：連接設(shè)備與用戶軟件用戶I/O軟件打印機(jī)驅(qū)動程序顯示器驅(qū)動程序Print硬盤驅(qū)動程序OSkernel可獨(dú)立于設(shè)備的技術(shù)細(xì)節(jié)不同類型的設(shè)備有各自特定的驅(qū)動程序

中斷：I/O設(shè)備管理的關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)CPU接到外設(shè)的I/O請求時，則暫停當(dāng)前工作，轉(zhuǎn)而為I/O服務(wù)，并隨后再返回原來暫停處繼續(xù)中斷控制器CPU外設(shè)1外設(shè)2外設(shè)n。。。中斷請求中斷響應(yīng)類型號內(nèi)存中斷向量表處理程序類型號I/O軟件的分層中斷處理程序設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備無關(guān)程序用戶I/O軟件文件管理程序：實(shí)現(xiàn)“按名存取”硬盤i簇i+1簇……i-1簇……i簇表項(xiàng)文件分配表FAT

文件名屬性起始簇號長度文件n表項(xiàng)文件目錄表FDT

當(dāng)創(chuàng)建文件時：在FDT中添加表項(xiàng)在FAT中尋找可用簇在FDT中填入起始簇號

當(dāng)讀寫文件時：在FDT中查找表項(xiàng)找到文件起始簇號

定位到文件起始位置

當(dāng)刪除文件時：在FDT中查找表項(xiàng)找到文件起始簇號

在FAT中抹掉起始簇號

刪除后，文件數(shù)據(jù)真的沒有了嗎？四、幾個重要問題進(jìn)程間的同步與互斥進(jìn)程間的通信關(guān)系進(jìn)程間存在直接關(guān)系：利用緩沖區(qū)傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)程間存在間接關(guān)系：申請同一打印機(jī)進(jìn)程3進(jìn)程4內(nèi)存緩沖區(qū)進(jìn)程1進(jìn)程2同步、互斥分別解決以上兩類關(guān)系信號量Semaphore：進(jìn)程之間的旗語考慮某進(jìn)程P請求訪問打印機(jī)進(jìn)程P向OS提出I/O請求若打印機(jī)空閑，OS設(shè)置進(jìn)程P就緒若打印機(jī)正忙，OS設(shè)置進(jìn)程P等待內(nèi)存進(jìn)程POS關(guān)鍵是：OS如何跟蹤打印機(jī)的狀態(tài)？

狀態(tài)標(biāo)志單元0/1指示打印機(jī)可用的信號量打印驅(qū)動程序再考慮打印機(jī)驅(qū)動程序一次只能由一個進(jìn)程執(zhí)行進(jìn)程間的互斥臨界區(qū)臨界資源獨(dú)占資源

結(jié)論：對臨界資源，進(jìn)程間必須實(shí)現(xiàn)互斥訪問死鎖：互斥可能引起的問題兩列火車互不讓路，從而造成死鎖什么原因ProcessAProcessB打印機(jī)光驅(qū)死鎖：多個進(jìn)程因請求對方的獨(dú)占資源而相互永久等待如何解決？殺掉其中一個進(jìn)程進(jìn)程一次性請求所需全部資源假脫機(jī)：進(jìn)程共享虛擬設(shè)備“饑餓”問題：因?yàn)榛コ?，某進(jìn)程可能較長時間得不到其所需獨(dú)占資源操作系統(tǒng)的安全：決定整個系統(tǒng)安全系統(tǒng)硬件、軟件資源操作系統(tǒng)抵御外部非法侵入用戶注冊分配用戶不同的權(quán)限登錄（身份驗(yàn)證）審計（監(jiān)視）系統(tǒng)行為如何防止內(nèi)部非法攻擊？內(nèi)存進(jìn)程POS

操作系統(tǒng)的安全：決定整個系統(tǒng)安全進(jìn)程P訪問限制區(qū)域

CPU上界寄存器下界寄存器為CPU設(shè)置特權(quán)指令和特權(quán)模式任務(wù)進(jìn)程工作在非特權(quán)模式若進(jìn)程執(zhí)行特權(quán)指令，CPU將轉(zhuǎn)入特權(quán)模式，從而引發(fā)中斷若進(jìn)程P可無限制訪問內(nèi)存？甚至可以破壞OS若進(jìn)程P可修改邊界寄存器？五、常用操作系統(tǒng)不同類型的操作系統(tǒng)Windows目前個人電腦的主流OS多任務(wù)、多用戶、GUI、應(yīng)用軟件豐富DOS:DiskOperatingSystem曾經(jīng)被認(rèn)為16位OS的標(biāo)準(zhǔn)單任務(wù)、單用戶、字符操作界面Unix高端工作站和服務(wù)器的主要OS多任務(wù)、多用戶