第08章操作系統(tǒng)課件

第二部分軟件環(huán)境基礎(chǔ)知識(shí)1操作系統(tǒng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)操作系統(tǒng)高效管理計(jì)算機(jī)資源的系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的目標(biāo)高效管理計(jì)算機(jī)資源，為用戶提供方便、易用的操作環(huán)境操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)是加到計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是其他軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)隔離硬件的變化操作系統(tǒng)是用戶使用計(jì)算機(jī)的接口接口普通用戶接口程序員級(jí)接口命令行接口圖形用戶界面學(xué)習(xí)目的加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)方法和技巧加深程序設(shè)計(jì)知識(shí)計(jì)算機(jī)是如何高效完成工作的？處理器周期10納秒（100M主頻）1秒高速緩存訪問30納秒3秒項(xiàng)目時(shí)間減速一億倍存儲(chǔ)器訪問200納秒20秒上下文切換100000納秒（100微秒）166分鐘磁盤訪問10000000納秒（10毫秒）11天時(shí)間片100000000納秒（100毫秒）116天進(jìn)程和線程進(jìn)程：一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序在其數(shù)據(jù)集上的一次運(yùn)行，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位和運(yùn)行單位線程：進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)可調(diào)度的實(shí)體，是一個(gè)執(zhí)行單元，是輕量級(jí)的進(jìn)程。（注意沒有說是資源分配的單位，包括內(nèi)存在內(nèi)的資源）線程的切換快于進(jìn)程間的切換線程同步需求的復(fù)雜性高于進(jìn)程

Unix以進(jìn)程為最小調(diào)度單位，Windows以線程為最小調(diào)度進(jìn)程8.2操作系統(tǒng)的特性操作系統(tǒng)具有區(qū)別于其他軟件的幾個(gè)最基本的特征：程序的并發(fā)執(zhí)行、資源的共享、虛擬性1.程序的并發(fā)執(zhí)行“并發(fā)”是指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔中發(fā)生2.資源的共享指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬、軟件資源不僅為某一程序或者某一用戶所獨(dú)享，多個(gè)擁有授權(quán)的程序或用戶都可以使用資源的共享方式有兩種：互斥訪問、同時(shí)訪問3.虛擬(Vitual)“虛擬”，就是把物理實(shí)體映射為一個(gè)或者多個(gè)邏輯實(shí)體8.3操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的主要功能有：處理機(jī)（CPU）管理：對(duì)處理機(jī)的分配、調(diào)度實(shí)施最有效的管理，以最大限度地提高處理機(jī)的處理能力存儲(chǔ)器管理：為每個(gè)進(jìn)程分配內(nèi)存，當(dāng)進(jìn)程被撤消時(shí)回收分配出去的內(nèi)存是內(nèi)存管理的主要內(nèi)容設(shè)備管理：除了對(duì)設(shè)備進(jìn)行分配、調(diào)度以提高整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率之外，還必須屏蔽各種設(shè)備的物理特性，向用戶提供一個(gè)方便、易用、高效的操作界面文件管理：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的分配、回收；文件的讀寫和查找機(jī)制和安全機(jī)制，還應(yīng)當(dāng)屏蔽掉各種存儲(chǔ)設(shè)備的物理特性，向用戶提供一套簡(jiǎn)單、方便、易用的服務(wù)接口作業(yè)管理：作業(yè)就是用戶的計(jì)算任務(wù)，它包括用戶應(yīng)用程序所需要的數(shù)據(jù)以及控制應(yīng)用程序執(zhí)行的指令之部分，作業(yè)管理應(yīng)當(dāng)具有作業(yè)調(diào)度功能8.4操作系統(tǒng)的種類1．批處理操作系統(tǒng)：首先出現(xiàn)的是“單道批處理系統(tǒng)”，用戶一次可以提交多個(gè)作業(yè)，但系統(tǒng)一次只處理一個(gè)作業(yè)，處理完一個(gè)作業(yè)后，再調(diào)入下一個(gè)作業(yè)進(jìn)行處理?！岸嗟琅幚硐到y(tǒng)”把內(nèi)存分為若干部分，屬于同一批次的若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，存放在內(nèi)存的不同部分。一個(gè)作業(yè)由于等待輸入輸出操作而讓處理機(jī)出現(xiàn)空閑時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行切換，處理另一個(gè)作業(yè)2．分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)是在多道程序的變種與批處理系統(tǒng)的區(qū)別在于：在批處理系統(tǒng)中，一個(gè)作業(yè)可以長(zhǎng)時(shí)間地占用CPU直至該作業(yè)執(zhí)行完成；而在分時(shí)系統(tǒng)中，情況卻恰恰相反。一個(gè)作業(yè)只能在一個(gè)時(shí)間片（TimeSlice，就是一小段時(shí)間，一般取100毫秒）的時(shí)間內(nèi)使用CPU，時(shí)間一到，系統(tǒng)將剝奪作業(yè)的CPU使用權(quán)，把CPU分配給其他的作業(yè)使用分時(shí)系統(tǒng)具有多路性、獨(dú)占性、及時(shí)性及交互性等特點(diǎn)：3．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于特定的輸入，系統(tǒng)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)并完成對(duì)該輸入請(qǐng)求的處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)采用了時(shí)間片分時(shí)技術(shù)，也具有及時(shí)性，多路性，獨(dú)占性和交互性等四個(gè)特征。不過，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)之間還是有很大的區(qū)別的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)一般是專用的，其交互能力比較差，它只允許用戶訪問數(shù)量有限的專用程序4．網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，具有以下基本功能：(1)網(wǎng)絡(luò)通信功能(2)網(wǎng)絡(luò)資源的管理和使用8.5操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有：整體式，層次式和客戶/服務(wù)器式1.整體式結(jié)構(gòu)

2.層次式結(jié)構(gòu)3.客戶/服務(wù)器式8.6操作系統(tǒng)的資源管理8.6.1進(jìn)程管理1．進(jìn)程與線程進(jìn)程是一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序在其數(shù)據(jù)集上的一次運(yùn)行，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位,進(jìn)程表示資源的占用和所要做的工作進(jìn)程具有:動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性線程是進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)可調(diào)度實(shí)體、是一個(gè)執(zhí)行單元、輕量進(jìn)程線程可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)這種并發(fā)性。屬于同一個(gè)進(jìn)程的若干線程共享進(jìn)程的地址空間和其他資源，所以，線程之間的切換比進(jìn)程之間的切換要快得多2．進(jìn)程的狀態(tài)3．進(jìn)程控制一個(gè)描述進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)記錄三個(gè)方面的信息：進(jìn)程狀態(tài)，內(nèi)存信息，記錄文件管理信息常采用進(jìn)程控制塊(ProcessControlBlock，簡(jiǎn)稱PCB)描述UNIX的PCB:4．進(jìn)程的同步在操作系統(tǒng)中，資源是可以共享的，如：多個(gè)進(jìn)程可共享硬盤、文件，變量甚至可執(zhí)行程序段。然而，系統(tǒng)中的所有進(jìn)程都是相互獨(dú)立、以異步的方式并發(fā)執(zhí)行的，所以進(jìn)程間共享資源可能導(dǎo)致問題進(jìn)程共享的資源不允許被同時(shí)訪問，這種資源叫做臨界資源操作系統(tǒng)必須提供一種機(jī)制對(duì)共享臨界資源的進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)，以保證這些進(jìn)程能夠“有序”地執(zhí)行，這就是進(jìn)程同步5．進(jìn)程通信(1)基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或共享內(nèi)存進(jìn)行通信

(2)利用消息進(jìn)行通信(3)利用共享文件進(jìn)行通信6．進(jìn)程調(diào)度按照一定的原則把CPU動(dòng)態(tài)分配給某一就緒進(jìn)程,需完成：

記錄進(jìn)程的狀態(tài)按一定的調(diào)度算法，從就緒隊(duì)列中選一個(gè)進(jìn)程，把處理機(jī)分配給它當(dāng)進(jìn)程的時(shí)間片已經(jīng)用完或必須等待I/O完成時(shí)，回收處理機(jī)進(jìn)程調(diào)度一般有兩種方式：非搶占式、搶占式系統(tǒng)可以根據(jù)某種規(guī)則剝奪一正在運(yùn)行進(jìn)程的CPU占用權(quán)并將CPU分配給其他進(jìn)程----搶占式系統(tǒng)把CPU使用權(quán)分配給某個(gè)進(jìn)程之后就讓它一直運(yùn)行下去直到該進(jìn)程運(yùn)行完成或被阻塞，才把CPU使用全分配給其他進(jìn)程-----非搶占式調(diào)度算法進(jìn)程調(diào)度算法優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法多重時(shí)間片循環(huán)調(diào)度8.6.2存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理應(yīng)當(dāng)解決幾個(gè)問題：一是存儲(chǔ)空間的分配和回收；二是地址映射，就是把程序使用的地址映射成內(nèi)存空間地址；三是內(nèi)存的保護(hù)，就是系統(tǒng)必須保證內(nèi)存中的進(jìn)程不會(huì)相互干擾，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性1．重要術(shù)語(yǔ)邏輯空間和物理空間：邏輯空間是程序設(shè)計(jì)人員的編程空間，物理空間是指內(nèi)存空間，是由物理存儲(chǔ)單元組成重定位和地址映射：在設(shè)計(jì)程序時(shí)，程序設(shè)計(jì)人員使用的是邏輯地址空間，在程序調(diào)入內(nèi)存實(shí)際執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)再將邏輯地址空間轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的物理地址空間，稱為地址映射。由操作系統(tǒng)自動(dòng)完成，對(duì)用戶是透明的。重定位：一是當(dāng)某程序裝入內(nèi)存運(yùn)行時(shí)，根據(jù)其所獲得的空間位置，將程序的邏輯地址映射成相應(yīng)的物理地址；二是在程序的執(zhí)行過程中，如果系統(tǒng)移動(dòng)了其在內(nèi)存的位置，需要將程序的邏輯地址重新映射成新的物理地址虛擬存儲(chǔ)：虛擬存儲(chǔ)器，就是把內(nèi)外存連起來統(tǒng)一使用2．存儲(chǔ)管理方式分區(qū)管理：把內(nèi)存空間靜態(tài)地或動(dòng)態(tài)地分割成若干大小不等的區(qū)域，每個(gè)作業(yè)分配一片連續(xù)的存儲(chǔ)空間，程序一次整體裝入到系統(tǒng)內(nèi)存中。常見的有：固定式、可變式、可重定位和多重分區(qū)幾種分頁(yè)管理將每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間按固定大小分成若干頁(yè)面，并0、1、2…等序號(hào)表示，叫做虛頁(yè)面；同時(shí)，把內(nèi)存空間也按同樣大小分為若干頁(yè)面，也用0、1、2…等序號(hào)表示，叫做實(shí)頁(yè)。在對(duì)進(jìn)程進(jìn)行存儲(chǔ)分配時(shí)，將進(jìn)程的虛頁(yè)面映射到內(nèi)存中的實(shí)頁(yè)面上分段存儲(chǔ)管理一個(gè)用戶程序通常由一個(gè)主程序、若干個(gè)子程序和數(shù)據(jù)區(qū)組成，每一個(gè)邏輯信息組稱“段”，以“段”為單位進(jìn)行內(nèi)存管理段頁(yè)結(jié)合存儲(chǔ)管理：對(duì)各個(gè)段又進(jìn)行分頁(yè)。把段調(diào)入內(nèi)存時(shí)，虛頁(yè)面與實(shí)頁(yè)面相對(duì)應(yīng)，一頁(yè)一頁(yè)地存放3．存儲(chǔ)保護(hù)

越界保護(hù)：越界保護(hù)一般是通過一對(duì)界地址寄存器實(shí)現(xiàn)的。程序運(yùn)行時(shí)，頁(yè)表長(zhǎng)度或段表長(zhǎng)度被放入頁(yè)表或段表地址寄存器的左邊部分，當(dāng)中央處理機(jī)訪問某虛擬地址時(shí)，硬件自動(dòng)把頁(yè)號(hào)(段號(hào))與頁(yè)表(段表)長(zhǎng)度進(jìn)行比較；在分段環(huán)境下還要將段內(nèi)地址與段表中段長(zhǎng)度進(jìn)行比較，如果合法，才進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，否則產(chǎn)生越界中斷信號(hào)。存取控制保護(hù)：常用的存取控制類型包括讀、寫(修正)、執(zhí)行和增加(只許添加不允許修正)四類。8.6.3設(shè)備管理操作系統(tǒng)的設(shè)備管理應(yīng)當(dāng)完成幾方面的任務(wù)：根據(jù)各類設(shè)備的特點(diǎn)確定相應(yīng)的分配策略啟動(dòng)設(shè)備完成實(shí)際的輸入輸出操作向用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的、友好的使用界面優(yōu)化設(shè)備的調(diào)度、提高設(shè)備的利用率1．設(shè)備管理的體系結(jié)構(gòu)設(shè)備管理分為兩層，第一層與用戶進(jìn)程交互的是“輸入輸出控制系統(tǒng)”，它完成設(shè)備的分配、調(diào)度并向程序員提供一個(gè)統(tǒng)一的編程接口，實(shí)現(xiàn)了邏輯設(shè)備向物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。處于下面一層的是“設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序”它直接與設(shè)備打交道，控制設(shè)備控制器完成具體的輸入輸出2．邏輯設(shè)備與物理設(shè)備輸入輸出控制系統(tǒng)必須把邏輯設(shè)備映射到實(shí)際的物理設(shè)備，系統(tǒng)必須保存一張記錄了物理設(shè)備信息的表，我們把它稱為邏輯設(shè)備表3．緩沖技術(shù)CPU與外設(shè)、內(nèi)存與外設(shè)、外設(shè)與外設(shè)之間的處理速度是不匹配的，處理速度極慢的外設(shè)頻繁地中斷CPU的運(yùn)行，將會(huì)大大降低CPU的使用效率，利用輸入輸出緩沖器可提高CPU與輸入輸出設(shè)備之間的并行程度，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率4．設(shè)備的分配與調(diào)度：按用戶要求合理、公平地進(jìn)行設(shè)備分配5．設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)接收和分析從設(shè)備分配程序轉(zhuǎn)來的信息以及設(shè)備控制表中的信息，結(jié)合設(shè)備特性，進(jìn)行信息格式轉(zhuǎn)換，把執(zhí)行信息轉(zhuǎn)換成設(shè)備能夠執(zhí)行的形式，驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行I/O操作8.6.4文件管理一個(gè)文件系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有以下功能：確定物理存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、確定文件的組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)文件的保護(hù)和共享1．文件的命名2．文件的結(jié)構(gòu)：是文件中信息的組織方式：字節(jié)流式文件和記錄式文件兩種3.文件的存取早期操作系統(tǒng)為順序存?。⊿equentialAccess）。進(jìn)程只能從文件的開始處順序讀取文件中的所有字節(jié)或記錄，不能跳過某些內(nèi)容其后產(chǎn)生隨機(jī)存取文件（randomaccessfile），它允許非順序地讀取文件中的字節(jié)或記錄在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，所有的文件創(chuàng)建后，自動(dòng)成為隨機(jī)存取文件4．文件的屬性下表列出了一些可能的文件屬性域5．文件的操作文件是用來存儲(chǔ)信息的，所以，任何一個(gè)系統(tǒng)都必須提供一些操作，以便于信息存儲(chǔ)和檢索CREATE：創(chuàng)建新文件DELETE：刪除文件并收回占用的空間OPEN：把文件的屬性和磁盤地址裝載到內(nèi)存中，以便讀寫。CLOSE：關(guān)閉文件釋放占用的內(nèi)存空間READ：從文件中讀取數(shù)據(jù)WRITE：把數(shù)據(jù)寫到文件中SEEK：對(duì)于隨機(jī)存取文件，可以利用此函數(shù)移動(dòng)文件指針到需要的位置進(jìn)行讀寫。SETATTRIBUTE：設(shè)置文件屬性GETATTRIBUTE：獲取文件屬性6．目錄文件是用來記錄信息的，而目錄是用來記錄文件的，目錄包含許多目錄項(xiàng)，每個(gè)目錄項(xiàng)表征了一個(gè)文件7．文件的存取控制8．文件的存儲(chǔ)文件系統(tǒng)中最基本的問題就是如何在盤上存儲(chǔ)文件，記錄文件使用了那些磁