第一章操作系統(tǒng)引論

計算機操作系統(tǒng)醫(yī)用電子信息系Email：wd_lulu@163.com電話：65485551-3415編寫：王云光全書目錄第1章操作系統(tǒng)引論 第2章進程 第3章系統(tǒng)的資源管理 第4章虛擬存儲器管理 第5章文件系統(tǒng) 第6章磁盤存儲器管理 第7章系統(tǒng)服務(wù)和系統(tǒng)接口第一篇基本理論第1章概述第2章Windows的啟動第3章Windows的體系結(jié)構(gòu)第4章配置管理第5章內(nèi)存管理第6章磁盤和文件管理全書目錄第二篇多種Windows操作系統(tǒng)第1章Linux系統(tǒng)概述第2章安裝Linux

第3章Linux的基本使用第4章Linux系統(tǒng)內(nèi)核第5章Linux的引導(dǎo)與關(guān)閉機制

全書目錄第三篇Linux操作系統(tǒng)第一章操作系統(tǒng)引論

1.1什么是操作系統(tǒng)

1.1.1操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是硬件的延伸

OS作為用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口OS處于用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計算機系統(tǒng)?；蛘哒f，用戶在OS的幫助下能夠方便、快捷、安全、可靠地操縱計算機硬件和運行自己的程序。應(yīng)當(dāng)注意，OS是一個系統(tǒng)軟件，這種接口是軟件接口用戶可以通過以下兩種方式來使用計算機。

(1)命令方式。這是指由OS提供了一組聯(lián)機命令(語言)，用戶可通過鍵盤鍵入有關(guān)的命令，來直接操縱計算機系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)調(diào)用方式。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在應(yīng)用程序中通過調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來操縱計算機。1.1.2操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者在一個計算機系統(tǒng)中，通常都包含了各種各樣的硬件和軟件資源。歸納起來可將資源分為四類：處理器、存儲器、I／O設(shè)備以及信息(數(shù)據(jù)和程序)。相應(yīng)地，OS的主要功能也正是針對這四類資源進行有效的管理。即：

(1)處理機管理。用于分配和控制處理機；

(2)存儲器管理。主要負責(zé)內(nèi)存的分配與回收；

(3)I／0設(shè)備管理。負責(zé)I／o設(shè)備的分配與操縱；

(4)文件管理。負責(zé)文件的存取、共享和保護。

可見，OS確是計算機系統(tǒng)的資源管理者。事實上，當(dāng)今世界上廣為流行的一個關(guān)于OS作用的觀點，正是把OS作為計算機系統(tǒng)的資源管理者。

1.1.3操作系統(tǒng)用作擴充機器

對于一臺完全無軟件的計算機系統(tǒng)(裸機)，即使其功能再強，也必定是難于使用的。如果我們在裸機上覆蓋上一層I／O設(shè)備管理軟件，用戶便可利用它所提供的I／O命令，來進行數(shù)據(jù)輸入和打印輸出。此時用戶所看到的機器，將是一臺比裸機功能更強、使用更方便的機器。通常把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機器或虛機器。如果我們又在第一層軟件上再覆蓋上一層文件管理軟件，則用戶，可利用該軟件提供的文件存取命令，來進行文件的存取。此時，用戶所看到的是一臺功能更強的虛機器。如果我們又在文件管理軟件上再覆蓋上一層面向用戶的窗口軟件，則用戶便可在窗口環(huán)境下方便地使用計算機，形成一臺功能極強的虛機器。由此可知，每當(dāng)人們在計算機系統(tǒng)上覆蓋上一層軟件后，系統(tǒng)功能便增強一級。由于OS自身包含了若干層軟件，因此當(dāng)在裸機上覆蓋上OS后，便可獲得一臺功能顯著增強，使用極為方便的多層擴充機器或多層虛機器。

1.1.4操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它是管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理地組織計算機工作流程，以及方便用戶使用的程序的集合。1.2操作系統(tǒng)的形成1.2.1手工操作階段由操作員（用戶）通過手工操作的方式去啟動設(shè)備和主機運行。每次只能一個用戶使用計算機，一切資源全部由該用戶所占用。并且在一個作業(yè)運行過程中，以及在作業(yè)完成后轉(zhuǎn)換到另一作業(yè)都由人工干預(yù)。1.2.2監(jiān)督程序（早期批處理）階段所謂“批處理”，實質(zhì)是指把用戶作業(yè)以“成批”的方式提交給計算機。由于用戶使用控制命令描述自己對作業(yè)每一步運行的具體安排意圖。

并將這些控制信息連同自己的程序和數(shù)據(jù)一起作為一個作業(yè)提交給操作人員，因此在系統(tǒng)運行過程中，不允許用戶與他的作業(yè)發(fā)生交互作用，即用戶不能直接干預(yù)自己作業(yè)的運行，直至結(jié)束。這種自動定序的處理方式稱為“批處理”方式。而且，由于是一個接著一個地串行執(zhí)行作業(yè)，因此稱為“單道批處理”。1.2.3操作系統(tǒng)的形成

1.通道技術(shù)的引進、中斷技術(shù)的發(fā)展、執(zhí)行系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得CPU的時間主要用來處理數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)資源的利用率仍很低下，單道技術(shù)的局限難以突破。

2.多道技術(shù)的引入，CUP等系統(tǒng)資源的利用率大大提高。多道程序設(shè)計技術(shù)：把一個以上的程序存放在主存中，并且同時處于運動狀態(tài)，這些程序共享處理機時間和其它系統(tǒng)資源。

3.多道程序和分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著操作系統(tǒng)的形成。

1.3操作系統(tǒng)的特征一、并發(fā)(Concurrence)

并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個概念。并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指宏觀上在一段時間內(nèi)有多道程序在同時運行。但在單處理機系統(tǒng)中，每一時刻僅能執(zhí)行一道程序，故微觀上，這些程序是在交替執(zhí)行的。二、共享(Sharing)

所謂共享是指，系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。由于資源的屬性不同，故多個進程對資源的共享方式也不同，可分為以下兩種資源共享方式：

1．互斥共享方式

系統(tǒng)中的某些資源如打印機、磁帶機，雖然它們可以提供給多個進程使用，但在一段時間內(nèi)卻只允許一個進程訪問該資源。當(dāng)一個進程正在訪問該資源時，其它欲訪問該資源的進程必須等待，僅當(dāng)該進程訪問完并釋放該資源后，才允許另一進程對該資源進行訪問。我們把在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源。許多物理設(shè)備以及某些變量、表格都屬于臨界資源，它們要求互斥地被共享。2．同時訪問方式

系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時間內(nèi)由多個程序同時對它進行訪問。這里所謂的“同時”往往是宏觀上的。而在微觀上，這些程序可能是交替地對該資源進行訪問。典型的可供多個程序同時訪問的資源是磁盤；并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個基本的特征，它們又是互為存在條件。

三、虛擬(Virtual)

在操作系統(tǒng)中的所謂“虛擬”，是指通過某種技術(shù)把一個物理實體變成若干個邏輯上的對應(yīng)物。物理實體(前者)是實的，即實際存在的，而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。例如，在多道分時系統(tǒng)中，雖然只有一個CPU，但每個終端用戶卻都認為是有一個CPU在專門為他服務(wù)，亦即，利用多道程序技術(shù)可以把一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的CPU，也稱為虛處理機。類似地，也可以把一臺物理I／O設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的I／0設(shè)備。此外，也可以把一條物理信道虛擬為多條邏輯信道(虛信道)。在操作系統(tǒng)中虛擬的實現(xiàn)，主要是通過分時使用的方法。顯然，如果n是某一物理設(shè)備所對應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的速度必然是物理設(shè)備速度的1／n。四、異步性(Asynchronism)或不確定性1.程序執(zhí)行的速度不確定。2.程序執(zhí)行的結(jié)果不確定。1.4操作系統(tǒng)的類型1.4.1操作系統(tǒng)的基本類型一、批處理操作系統(tǒng)采用批量化處理作業(yè)運行技術(shù)的操作系統(tǒng)就稱為批處理操作系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)確保作業(yè)不斷地流入系統(tǒng)，經(jīng)過處理后又撤離系統(tǒng)，使整批作業(yè)能夠自動、順利地進行，節(jié)省了人工操作時間，從而加大了系統(tǒng)對作業(yè)的吞吐量(也就是計算機一天能夠處理作業(yè)的數(shù)量)，提高了系統(tǒng)的運行效率。

批處理系統(tǒng)中作業(yè)從進入到撤離系統(tǒng)的整個流程，大致可以分為4個階段：

1．提交階段

用戶把自己的作業(yè)程序、數(shù)據(jù)提交給系統(tǒng)操作人員。

2．后備階段

提交給系統(tǒng)的諸作業(yè)被存放在磁盤的某個區(qū)域中，這個區(qū)域常稱作輸入井。位于輸人井里的作業(yè)，都是等待運行的作業(yè)，故稱為后備作業(yè)。

3．運行階段

從輸入井中的后備作業(yè)里挑選作業(yè)進入內(nèi)存，并按照用戶事先用控制命令設(shè)定好的步驟投入運行。運行完畢后，將輸出結(jié)果存人磁盤的某個區(qū)域，這個區(qū)域常稱作輸出井。由操作系統(tǒng)按作業(yè)統(tǒng)一加以輸出。

4．完成階段

這批作業(yè)撤離系統(tǒng)，操作人員將輸出結(jié)果交給用戶。

批處理操作系統(tǒng)的缺點是：第一，由于在運行過程中用戶不能立時與自己的作業(yè)進行交互作用，因此即使程序出現(xiàn)一個很小的錯誤或意外情況，用戶都無法立即對其進行修正或排除，利于程序的調(diào)試。第二，從整體上講，批處理方式提高了系統(tǒng)處理作業(yè)的吞吐量，但是具體到某一個作業(yè)，由于必須等一批作業(yè)處理完成后才能得到自己的運行結(jié)果。因此從它進入系統(tǒng)到撤離系統(tǒng)，獨占方式可能對它更為有利。二、分時操作系統(tǒng)

所謂“分時”，即是把CPU的時間劃分成長短相同(或基本相同)的時間區(qū)稱為“時間片”。通過操作系統(tǒng)的管理，把這些時間片依次輪流地分配給各個用戶使用。

如果某個作業(yè)在時間片結(jié)束之前，整個任務(wù)還沒有完成，那么該作業(yè)就被迫暫停下來，放棄CPU等待下一輪循環(huán)再繼續(xù)做。此時CPU又分配給另一個作業(yè)去使用。由于計算機的處理速度很快，只要時間片的間隔取得適當(dāng)，那么一個用戶作業(yè)從用完分配給它的一個時間片到獲得下一個CPU時間片，中間雖然有所“停頓”，但用戶察覺不出來，好象整個系統(tǒng)全由它“獨占”似的。向用戶提供這樣的工作環(huán)境、使計算機具有這種特征的操作系統(tǒng)稱為“分時操作系統(tǒng)”。分時系統(tǒng)具有4個特點：

(1)多路性用戶通過各自的終端，可以同時使用一臺計算機。

(2)交互性用戶在終端上采用聯(lián)機工作方式，能隨時通過鍵盤與計算機進行“會話”(這就是所謂的交互作用)，從而及時了解程序的運行情況。這比起批處理方式來會感到方便親切許多。

(3)獨占性在分時系統(tǒng)中，雖然允許多個用戶同時使用一臺計算機，但用戶之間操作獨立，互不干涉，感覺不到他人的存在。

(4)及時性用戶提出的各種請求，能在較短或可容忍的時間內(nèi)得到響應(yīng)和處理。

批處理操作系統(tǒng)設(shè)計和要解決的側(cè)重面是如何提高機器的利用率，而分時操作系統(tǒng)著重考慮的則是系統(tǒng)的“響應(yīng)時間”問題，即用戶提出一個請求到他獲得對該請求作出回答所需要的時間。影響這個問題的因素有三個：一、是CPU的處理速度；二、是分時系統(tǒng)中終端的數(shù)目；三、是時間片設(shè)置的長短。三、實時系統(tǒng)(Real-TimeSystem)實時控制

當(dāng)把計算機用于生產(chǎn)過程的控制，以形成以計算機為中心的控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)要求能實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行及時處理，進而自動地控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，使某些(個)參數(shù)(如溫度、壓力、方位等)能按預(yù)定的規(guī)律變化，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和提高產(chǎn)量。類似地，也可將計算機用于武器的控制，如火炮的自動控制系統(tǒng)、飛機的自動駕駛系統(tǒng)，以及導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)等。通常把要求進行實時控制的系統(tǒng)統(tǒng)稱為實時控制系統(tǒng)。2．實時信息處理

通常，我們把要求對信息進行實時處理的系統(tǒng)，稱為實時信息處理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由一臺或多臺主機通過通信線路連接成百上千個遠程終端，計算機接收從遠程終端發(fā)來的服務(wù)請求，根據(jù)用戶提出的問題，對信息進行檢索和處理，并在很短的時間內(nèi)為用戶做出正確的回答。典型的實時信息處理系統(tǒng)有：飛機訂票系統(tǒng)、情報檢索系統(tǒng)等。 我們把實時控制系統(tǒng)和實時信息處理系統(tǒng)統(tǒng)稱為實時系統(tǒng)。所謂“實時”，是表示“及時”、“即時”；而實時系統(tǒng)是指系統(tǒng)能及時(或即時)響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運行。 實時系統(tǒng)的特點：實時性、高可靠性、過載保護、交互能力等。1.4.2微機操作系統(tǒng)

一、單用戶操作系統(tǒng)

顧名思義，單用戶操作系統(tǒng)一次只能支持一個用戶作業(yè)的運行，所以它不像大型操作系統(tǒng)那樣去追求系統(tǒng)資源的利用率，多半采用資源“獨占”的方式，即CPU、內(nèi)存和外設(shè)一次均只為一個用戶服務(wù)，提供較強的文件管理功能。這種操作系統(tǒng)向使用者提供聯(lián)機交互式的工作環(huán)境，大多數(shù)微機上的操作系統(tǒng)均屬此列。二、多用戶操作系統(tǒng) 系統(tǒng)采用多用戶多任務(wù)的多道程序設(shè)計技術(shù)，存儲管理上采用虛擬存儲管理技術(shù)。1.4.3網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 計算機網(wǎng)絡(luò)的含義是將地理位置不同、具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設(shè)施互連起來，實現(xiàn)信息交換、資源共享和協(xié)同處理。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供最基本的網(wǎng)絡(luò)操作所需要的核心功能，如網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、進程任務(wù)調(diào)度等。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用程序運行在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)上，為用戶提供最基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，如文件和記錄的鎖定、查詢共享數(shù)據(jù)庫的信息、共享打印機等。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和單機操作系統(tǒng)的連接是通過網(wǎng)絡(luò)通信軟件來實現(xiàn)的，各個計算機通過通信軟件使用網(wǎng)絡(luò)硬件與其它計算機建立通信。通信軟件還提供所支持的通信協(xié)議，以便通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求或響應(yīng)信息。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的特點：

1網(wǎng)絡(luò)通信2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

3網(wǎng)絡(luò)管理4互操作能力

1.4.4分布式操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，大多數(shù)計算機仍處在各自獨立的處理環(huán)境之中，譬如，網(wǎng)絡(luò)上的一臺計算機希望另一臺計算機幫助進行處理時，用戶必須首先通知對方，將自己的作業(yè)環(huán)境轉(zhuǎn)移過去，委托它去處理。這就是說，無法對用戶隱去資源的實際位置，使用戶感到全部資源猶如就在自己的計算機上那樣。為了能提