【正文】 操作系統(tǒng)電子教案 制作人：安徽電大滁州分校孫灝 2023年 9月 一、課程的性質(zhì)、目的和任務(wù) ? 《操作系統(tǒng)》是中央電大電子與信息工程類計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生和必修的公共基本課之一，是一門涉及較多硬件知識(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件課程。在計(jì)算機(jī)軟硬件課程的設(shè)置上，它起著承上啟下的作用。操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源實(shí)施管理，是所有其他軟件與計(jì)算機(jī)硬件的唯一接口，所有用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)都要得到操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。因此，本課程的目的和任務(wù)是使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，理解操作系統(tǒng)的基本概念和主要功能，掌握 UNIX操作系統(tǒng)的使用和一般管理方法。 二、課程的教學(xué)要求 ? 基本概念 – 多道程序設(shè)計(jì)、并發(fā)、分時(shí)、作業(yè)、進(jìn)程、互斥與同步、周轉(zhuǎn)時(shí)間、吞吐量、重定位、連接、虛擬存儲(chǔ)、虛擬設(shè)備、死鎖、線程 ? 基本知識(shí) – 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源（文件、設(shè)備、處理機(jī)、存儲(chǔ)器）的管理策略 ? 重點(diǎn) – 進(jìn)程概念、存儲(chǔ)管理的各種策略、文件系統(tǒng)的管理、設(shè)備管理和配置 ? 難點(diǎn) – 進(jìn)程的概念及其與程序的區(qū)別、進(jìn)程間同步與互斥的正確實(shí)現(xiàn)、虛擬設(shè)備與虛擬存儲(chǔ) 三、教學(xué)方法與教學(xué)形式及建議 ? 采用多種教學(xué)方法和教學(xué)形式 – 面授、上機(jī)實(shí)踐、小組討論、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上作業(yè)等。 ? 教學(xué)建議 – 學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)瀏覽三級(jí)電大在線及省電大、我校主頁，獲取動(dòng)態(tài)教學(xué)信息。 第一章操作系統(tǒng)引論 ? 學(xué)習(xí)重點(diǎn) –什么是操作系統(tǒng) –操作系統(tǒng)的主要功能 –操作系統(tǒng)的基本特征 –操作系統(tǒng)的主要類型 – UNIX命令的一般格式 什么是操作系統(tǒng) ? 操作系統(tǒng)是管理、控制計(jì)算機(jī)內(nèi)各種資源、有效地組織多道程序運(yùn)行的系統(tǒng)軟件，是用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口。 ? 如何理解操作系統(tǒng)的定義 – 操作系統(tǒng)是什么： 操作系統(tǒng)是軟件，而且是系統(tǒng)軟件； – 操作系統(tǒng)管什么： 管理、控制系統(tǒng)內(nèi)各種資源，有效地組織多道程序的運(yùn)行； – 操作系統(tǒng)有何用： 提供眾多服務(wù)，方便用戶使用，擴(kuò)充硬件功能。 ? 操作系統(tǒng)的地位 – 是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，既管軟件，又管硬件； – 它為其它軟件提供運(yùn)行環(huán)境 操作系統(tǒng)的主要功能 ? 配置操作系統(tǒng)的目的 – 提供一個(gè)計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的接口，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)易于使用； – 有效地控制和管理計(jì)算機(jī)中的各種資源，使之得到更有效的利用； – 合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，以改善系統(tǒng)性能。 ? 操作系統(tǒng)的主要功能 – 存儲(chǔ)器管理： 內(nèi)存分配、地址映射、內(nèi)存保護(hù)和內(nèi)存擴(kuò)充 – 處理機(jī)管理： 作業(yè)和進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程控制和進(jìn)程通信 – 設(shè)備管理： 緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和設(shè)備無關(guān)性 – 文件管理： 文件存儲(chǔ)空間的管理、文件操作的一般管理、目錄管理、文件的讀寫管理和存取控制 – 用戶界面管理： 命令界面、程序界面和圖形界面 操作系統(tǒng)的特征 ? 并發(fā)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的活動(dòng)在同一時(shí)間間隔中進(jìn)行 ? 共享：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中資源為多個(gè)任務(wù)所共用 ? 異步性：在多道程序環(huán)境下，各程序的執(zhí)行有“走走停?！钡男再|(zhì)，即程序在什么時(shí)候運(yùn)行、在運(yùn)行過程中是否被其它事情打斷、向前推進(jìn)的速度都是不可預(yù)知的，由程序執(zhí)行時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)決定；同一程序在相同的初始條件下，無論何時(shí)運(yùn)行都應(yīng)獲得相同的結(jié)果。 ? 虛擬性：是指一個(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的實(shí)物。 操作系統(tǒng)的主要類型 ? 一、 批處理系統(tǒng) ? 單道批處理（內(nèi)存中內(nèi)有一道作業(yè)） – 批處理：是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)一批 作業(yè) 自動(dòng)處理的一種技術(shù)。 ? 聯(lián)機(jī)批處理：作業(yè)的自動(dòng)處理受到監(jiān)督程序的控制。 CPU的利用率不高，不能很好地利用系統(tǒng)資源。 ? 脫機(jī)批處理：為克服聯(lián)機(jī)批處理的缺點(diǎn)，引入脫機(jī)批處理。 模型圖如下 多道批處理系統(tǒng)（內(nèi)存中可以有多道作業(yè)，在管理程序的控制下交替執(zhí)行） – 多道程序設(shè)計(jì)：是指同時(shí)把多個(gè)作業(yè)放入內(nèi)存并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)中的各類資源，當(dāng)一道程序因某種原因而暫停執(zhí)行時(shí)， CPU立即執(zhí)行另一道程序。 ? 特點(diǎn)：多道、成批 ? 優(yōu)點(diǎn)：資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大 ? 缺點(diǎn)：等待時(shí)間長(zhǎng)、無交互能力，用戶無法干預(yù) 脫機(jī)批處理模型圖 操作系統(tǒng)的主要類型 ? 二、分時(shí)系統(tǒng) ? 分時(shí)技術(shù)：就是把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流把處理機(jī)分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)。若某個(gè)作業(yè)在分配給它時(shí)間片內(nèi)不能完成任務(wù)時(shí)，則該作業(yè)暫時(shí)中斷，把處理機(jī)交給另一個(gè)作業(yè)。 特點(diǎn) ? 同時(shí)性：若干個(gè)用戶同時(shí)上機(jī)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 ? 交互性：用戶能方便地與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。 ? 獨(dú)立性：系統(tǒng)中各用戶可以彼此獨(dú)立地操作，互不干擾或破壞。 ? 及時(shí)性：用戶能在很短的時(shí)間內(nèi)得到系統(tǒng)的響應(yīng)。 ? 優(yōu)點(diǎn) ? 響應(yīng)快、界面友好 ? 多用戶、便于普及 ? 便于資源共享 操作系統(tǒng)主要類型 ? 三、實(shí)時(shí)系統(tǒng) ? 是指計(jì)算機(jī)對(duì)于外來信息能夠以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在被控制對(duì)象允許的范圍內(nèi)作出快速響應(yīng)。 ? 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的典型應(yīng)用 – 過程控制系統(tǒng)、信息查詢系統(tǒng)、事務(wù)處理系統(tǒng) ? 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別 – 交互能力較弱，系統(tǒng)專用 – 響應(yīng)時(shí)間更嚴(yán)格、及時(shí) – 可靠性要求更高 操作系統(tǒng)主要類型 ? 四、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) ? 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相接合的產(chǎn)物。 ? 定義：一般建立在各個(gè)主機(jī)的本地操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，其功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、資源共享和保護(hù)，以及提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)接口等。 ? 功能 – 網(wǎng)絡(luò)通信 – 資源共享和保護(hù) – 網(wǎng)絡(luò)服務(wù) – 網(wǎng)絡(luò)接口 操作系統(tǒng)主要類型 ? 五、分布式操作系統(tǒng) – 概念：把大量的計(jì)算機(jī)組織起來，通過高速網(wǎng)絡(luò)連接。 – 特征： ? 分布式處理 ? 模塊化結(jié)構(gòu) ? 利用信息通信 ? 實(shí)施整體控制 – 特點(diǎn) ? 透明性 ? 靈活性 ? 可靠性 ? 高性能 ? 可擴(kuò)充性 UNIX命令的一般格式 ? 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的三種界面：命令界面、圖形界面、系統(tǒng)調(diào)用界面。 ? UNIX命令的一般格式 – 命令名 [選項(xiàng) ] [參數(shù) ] – 說明 ? 命令名可以是 UNIX系統(tǒng)提供的命令，也可以是應(yīng)用程序名，是由 小寫字母 組成。 ? 選項(xiàng)用來擴(kuò)充命令的特性或功能，往往是一個(gè)一個(gè)字母，在字母前面有一個(gè)“ —”，可有可無。 ? 參數(shù)是命令的自變量，表示命令將要處理的對(duì)象，可有可無。 第二章 進(jìn)程管理 ? 學(xué)習(xí)重點(diǎn) –什么是進(jìn)程，進(jìn)程與程序的區(qū)別與聯(lián)系 –進(jìn)程的基本狀態(tài)及其變化 –進(jìn)程由哪些部分組成，進(jìn)程控制塊的作用 –什么是進(jìn)程的同步與互斥 –臨界資源、臨界區(qū) –什么是信號(hào)量， P、 V操作的動(dòng)作。 –進(jìn)程間簡(jiǎn)單同步與互斥的實(shí)現(xiàn) 進(jìn)程的概念 ? 進(jìn)程的概念 – 程序在并發(fā)環(huán)境下的執(zhí)行過程（本教材中的定義） – 進(jìn)程是可以和其它計(jì)算并發(fā)執(zhí)行的計(jì)算 – 進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，是在給定區(qū)域中的一組指令序列的執(zhí)行過程。 – 簡(jiǎn)單來說就是一個(gè)程序在給定活動(dòng)空間和初始條件下，在一個(gè)處理機(jī)上的執(zhí)行過程。 – 進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。 – 進(jìn)程可定義為一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能在其上進(jìn)行操作的一個(gè)程序。 ? 進(jìn)程與程序的區(qū)別 – 程序是靜態(tài)的概念，而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的概念 ,有一定的生存期。 – 進(jìn)程是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的單位 ,也是資源分配和調(diào)度的獨(dú)立單位 – 程序和進(jìn)程無一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 – 各個(gè)進(jìn)程在并發(fā)執(zhí)行過程中會(huì)產(chǎn)生相互制約的關(guān)系 進(jìn)程的特征 ? 動(dòng)態(tài)性：它是程序的執(zhí)行過程，有生有亡 ? 并發(fā)性：引入進(jìn)程的目的正是為了使程序能與其它程序并發(fā)執(zhí)行。 ? 調(diào)度性（獨(dú)立性）：是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的單位 ,也是資源分配和調(diào)度的獨(dú)立單位 ? 異步性：進(jìn)程間的相互制約使進(jìn)程的執(zhí)行具有間斷性，即各進(jìn)程向前推進(jìn)的速度是不可預(yù)知的。 ? 結(jié)構(gòu)特征：進(jìn)程有一定的結(jié)構(gòu)，由程序段、數(shù)據(jù)段、 PCB組成。為了描述進(jìn)程的運(yùn)動(dòng)變化過程，并便之能獨(dú)立運(yùn)行，而為每一個(gè)進(jìn)程配置一個(gè) PCB。 進(jìn)程的狀態(tài)和組成 ? 進(jìn)程的基本狀態(tài) – 運(yùn)行態(tài)：是指已分配到 CPU，它的程序正在處理機(jī)上運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。 – 就緒態(tài)：已具備運(yùn)行條件，但 CPU為其它進(jìn)程占用時(shí)所處的狀態(tài)。 – 阻塞態(tài)：是指進(jìn)程因等待某種事件發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行的狀態(tài)。 運(yùn)行態(tài) 就緒態(tài) 阻塞態(tài) 進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 進(jìn)程的組成 ? 進(jìn)程的組成：數(shù)據(jù)段、程序段、進(jìn)程控制塊 ? 進(jìn)程控制塊的組成 ? 進(jìn)程控制塊的作用： PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志； OS根據(jù) PCB管理進(jìn)程；利用 PCB實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的動(dòng)態(tài)、并發(fā)；每個(gè)進(jìn)程有唯一的 PCB。 PCB 程序部分 數(shù)據(jù)集合 進(jìn)程的組成模型 進(jìn)程控制塊的組成 ? PCB描述進(jìn)程的執(zhí)行情況。它與進(jìn)程共存亡：創(chuàng)建進(jìn)程、產(chǎn)生PCB、撤消進(jìn)程、系統(tǒng)回收 PCB。它包含進(jìn)程的描述信息和控制信息，例如進(jìn)程名、特征信息、進(jìn)程狀態(tài)信息、調(diào)度優(yōu)先權(quán)、通信信息、中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、程序和數(shù)據(jù)地址等等。 PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。也是系統(tǒng)管理和控制進(jìn)程的依據(jù)。 ? 描述信息 – 進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)志符：每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)志符，在識(shí)別一個(gè)進(jìn)程 時(shí)，進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)志符代表一個(gè)進(jìn)程。 – 用戶名或用戶標(biāo)志號(hào)：每個(gè)進(jìn)程都隸屬于某個(gè)用戶，用戶名或用戶標(biāo)志號(hào)有利于資源共享與保護(hù)。 – 家族關(guān)系：反映父子進(jìn)程間的隸屬關(guān)系。 ? 控制信息 – 進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、程序開始地址、各種計(jì)時(shí)信息、通信信息 ? 資源管理信息 ? CPU現(xiàn)場(chǎng)信息 進(jìn)程管理及有關(guān)命令 ? 原語操作 – 是機(jī)器指令的延伸 ,往往是為完成某些特定的功能而編制的一段系統(tǒng)程序。具有不可分割性。 ? 進(jìn)程創(chuàng)建 – 功能：為被創(chuàng)建進(jìn)程形成一個(gè) PCB，并填入相應(yīng)的初始值。 – 步驟：①申請(qǐng)一個(gè)空閑的 PCB②為新進(jìn)程分配資源③將新進(jìn)程的 PCB初始化④將新進(jìn)程加到就緒隊(duì)列中。 ? 進(jìn)程終止 – 功能：收回并終止進(jìn)程所占用的全部資源，并撤消它的 PCB。 – 步驟：①從系統(tǒng)的 PCB中找到指定進(jìn)程的 PCB。②回收該進(jìn)程所占用的資源③若該進(jìn)程還有子孫進(jìn)程，則還要終止其所有子孫進(jìn)程，并回收它們所占用的全部資源。④釋放被終止進(jìn)程的PCB，并從原來的隊(duì)列中移走。 進(jìn)程管理及有關(guān)命令 ? 進(jìn)程阻塞 – 功能：將進(jìn)程由執(zhí)行態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。 – 步驟：①立即停止當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行②將現(xiàn)行進(jìn)程的 CPU現(xiàn)場(chǎng)送到該進(jìn)程的 PCB現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)保存起來，以便將來重新運(yùn)行時(shí)恢復(fù)此時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)③把該進(jìn)程 PCB中的現(xiàn)行狀態(tài)由“執(zhí)行”改為“阻塞”，把它插入到具有相同事件的阻塞隊(duì)列中④轉(zhuǎn)到進(jìn)程調(diào)度程序，重新從就緒隊(duì)列挑選合適的進(jìn)程投入運(yùn)行。 ? 進(jìn)程喚醒 – 功能：將進(jìn)程由阻塞態(tài)變?yōu)榫途w態(tài) – 步驟：①把被阻塞進(jìn)程從相應(yīng)的隊(duì)列中摘下來②將現(xiàn)行狀態(tài)改為就緒態(tài)，然后把該進(jìn)程插入到就緒隊(duì)列中 進(jìn)程管理命令 ? UNIX中的進(jìn)程狀態(tài) – 核心態(tài)：又稱管態(tài)，是 OS管理程序執(zhí)行時(shí)所處的狀態(tài)，它具有較高的特權(quán)，能執(zhí)行所有指令，訪問所有的寄存器和存儲(chǔ)區(qū)。 – 用戶態(tài)：又稱目態(tài)，是用戶程序執(zhí)行時(shí)所處的狀態(tài)，它只能執(zhí)行規(guī)定的指令，訪問特定的寄存器和存儲(chǔ)區(qū)。 – UNIX中的十種進(jìn)程狀態(tài)：用戶態(tài)運(yùn)行、核心態(tài)運(yùn)行、在內(nèi)存