第三章 计算机软件32 操作系统.ppt

第三章 计算机软件3.4 3.4 算法和计算机软件理论基础算法和计算机软件理论基础3.1 3.1 计算机软件及计算机软件技术计算机软件及计算机软件技术3.2 3.2 操作系统操作系统3.3 3.3 程序设计语言及语言处理程序程序设计语言及语言处理程序3.2 操作系统3.2.1 3.2.1 概述概述3.2.2 3.2.2 多任务处理多任务处理3.2.3 3.2.3 存储管理存储管理3.2.5 3.2.5 设备管理设备管理3.2.4 3.2.4 文件管理文件管理3.2.6 3.2.6 常用操作系统介绍常用操作系统介绍操作系统 操作系统（操作系统（OperatingSystem，简称简称OS）：）：计算机中最重要的一种系统软件，是一些程序模块的集合，计算机中最重要的一种系统软件，是一些程序模块的集合，它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理地安排计算机的工作流程，控制和支持应用程序的运行，合理地安排计算机的工作流程，控制和支持应用程序的运行，向向用用户户提提供供各各种种服服务务，使使得得用用户户能能方方便便、灵灵活活、有有效效地地使使用用计计算算机，也使整个计算机系统高效率地运行机，也使整个计算机系统高效率地运行 3.2.1 3.2.1 概述概述开始开始操作系统的目标1.方便性方便性2.有效性有效性3.可扩充性可扩充性4.开放性开放性一个未配置一个未配置OS的计算机系统是很难使用，因为计算机硬件的计算机系统是很难使用，因为计算机硬件只能识别机器代码。因此，用户要在计算机上运行自己编只能识别机器代码。因此，用户要在计算机上运行自己编写的程序，就必须用机器语言书写程序。如果在计算机硬写的程序，就必须用机器语言书写程序。如果在计算机硬件上配置了件上配置了OS，用户便可通过用户便可通过OS提供的各种命令来使用计提供的各种命令来使用计算机系统。算机系统。在未在未配置配置OS的计算机系统内，诸如的计算机系统内，诸如CPU、I/O设备等各类资设备等各类资源，都会经常处于空闲状态而得不到源，都会经常处于空闲状态而得不到充分充分利用。内存和外利用。内存和外存中所存放的数据由于无序而浪费存储空间。配置了存中所存放的数据由于无序而浪费存储空间。配置了OS后，后，可使可使CPU、I/O设备由于保持忙碌状态而得到充分利用，而设备由于保持忙碌状态而得到充分利用，而可使内存和外存中存放的数据有序而节省存储空间。此外可使内存和外存中存放的数据有序而节省存储空间。此外OS通过合理组织计算机工作流程，进一步改善资源利用率通过合理组织计算机工作流程，进一步改善资源利用率及提高系统的吞吐量及提高系统的吞吐量由于计算机硬件和体系结构迅速发展，计算机网络和由于计算机硬件和体系结构迅速发展，计算机网络和Internet的发展，相应对的发展，相应对OS提出更高的功能和性能要求。提出更高的功能和性能要求。OS必须具有必须具有很好的可扩充性，方能适应发展的要求。很好的可扩充性，方能适应发展的要求。OS应采用层次化结构，应采用层次化结构，以便增加新的功能层次和模块，并修改老的层次和模块以便增加新的功能层次和模块，并修改老的层次和模块由于计算机网络的发展，使计算机操作系统的应用环境，已由于计算机网络的发展，使计算机操作系统的应用环境，已逐步由单机环境转向网络环境。为了使来自不同产家的计算逐步由单机环境转向网络环境。为了使来自不同产家的计算机和设备通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，机和设备通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性，必须有统一的开放环境，实现应用的可移植性和互操作性，必须有统一的开放环境，进而要求进而要求OS具有开放性具有开放性为什么需要操作系统？控制基本的输入/输出操作分配系统中的资源管理存储器空间监测计算机运行和故障维护计算机安全操作系统的作用w一、管理系统中的各种软硬件资源一、管理系统中的各种软硬件资源w资源资源n硬硬件件资资源源：计计算算机机系系统统中中的的所所有有硬硬件件设设备备（CPUCPU、存存储储器器、I/OI/O设设备备、网络通信设备网络通信设备）n软件资源：程序、数据软件资源：程序、数据n计计算算机机执执行行多多个个程程序序时时，操操作作系系统统承承担担着着资资源源的的调调度度和和分分配配任任务务，目的是：避免冲突、保证程序正常有序地、高效率地运行目的是：避免冲突、保证程序正常有序地、高效率地运行w从资源管理的角度看从资源管理的角度看操作系统的主要功能操作系统的主要功能：n处理器管理处理器管理n存储存储管理管理n文件管理文件管理nI/O设备管理等设备管理等操作系统的作用w二、为用户提供友善的人机界面二、为用户提供友善的人机界面n用户用户界面（界面（user interfaceuser interface、用户接口、人机接口）用户接口、人机接口）：是实现用户与计算机通信的软、硬件部分的总称。是实现用户与计算机通信的软、硬件部分的总称。n图形用户界面（图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称简称GUI）：l通过多个窗口分别显示正在运行的各个程序的状态和输出通过多个窗口分别显示正在运行的各个程序的状态和输出l采用图标（采用图标（icon）来形象地表示系统中的文件、程序、设备等对象来形象地表示系统中的文件、程序、设备等对象l借借助助点点“菜菜单单”的的方方法法来来选选择择要要求求系系统统执执行行的的命命令令或或输输入入的的某某个个参数参数l利利用用鼠鼠标标器器控控制制屏屏幕幕光光标标的的移移动动并并掀掀动动按按键键触触发发某某个个操操作作命命令令的的执行执行l采用拖放（采用拖放（DragandDrop）方式执行所需要的操作。方式执行所需要的操作。n优点：优点：使使用用户户能能够够十十分分直直观观、灵灵活活、方方便便、有有效效地地使使用用计计算算机机，免免去去了了记记忆忆操作命令的沉重负担。操作命令的沉重负担。操作系统的作用w三、为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台三、为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台n裸机：没有安装任何软件的计算机。裸机：没有安装任何软件的计算机。n在在裸裸机机上上开开发发和和运运行行应应用用程程序序难难度度大大、效效率率低低，很很难难实实现。现。n安安装装了了操操作作系系统统之之后后，实实际际上上呈呈现现在在应应用用程程序序和和用用户户面面前的是一台前的是一台“虚计算机虚计算机”。n操操作作系系统统屏屏蔽蔽了了几几乎乎所所有有物物理理设设备备的的技技术术细细节节，它它以以规规范范、高高效效的的方方式式（例例如如系系统统调调用用、库库函函数数等等）向向应应用用程程序序提提供供了了有有力力的的支支持持，从从而而为为开开发发和和运运行行应应用用程程序序提提供供了一个平台。了一个平台。n操作系统提供了许许多多的功能让应用程序调用操作系统提供了许许多多的功能让应用程序调用操作系统的作用和地位计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统其他系统软件其他系统软件应用软件应用软件各类用户各类用户虚虚计算机计算机操作系统的作用和地位操作系统还具有：操作系统还具有：辅导用户操作辅导用户操作处理硬件错误处理硬件错误保护系统安全保护系统安全操作系统的启动w安安装装了了操操作作系系统统的的计计算算机机，操操作作系系统总是驻留在硬盘存储器上的统总是驻留在硬盘存储器上的w计计算算机机加加电电后后，自自动动将将操操作作系系统统装装入内存入内存 w操操作作系系统统装装入入成成功功后后，整整个个计计算算机机就就处处于于操操作作系系统统的的控控制制之之下下，用用户户就可以正常地使用计算机了就可以正常地使用计算机了有无故障有无故障自举程序自举程序(Boot)从系统从系统盘将引导程序装入内存盘将引导程序装入内存引导程序引导系统启动引导程序引导系统启动操作系统控制计算机工作操作系统控制计算机工作系统自检（系统自检（POST）和初始化和初始化启动失败启动失败加电加电操作系统的启动CPUROMBIOS 硬 盘RAM 执行自举程序装入操作系统 装入引导程序执行引导程序执行操作系统出导程读引序操作系统的加载过程操作系统的加载过程加电自检操作系统的启动计算机硬件计算机硬件应用程序接口应用程序接口(API)处理器管理文件管理存储管理文件系统，网络管理程序设备驱动程序设备管理窗口管理应用程序1应用程序2应用程序3用户接口外壳应用程序3用用户户内内存存储储器器操作系统运行时内存的态势操作系统运行时内存的态势操作系统运行时内存的态势操作系统运行时内存的态势w计计算算机机的的内内存存容容量量是是有有一一定定限限制制的的，操操作作系系统统启启动动成成功功后后，只只有有一一部部分分操操作作系系统统程程序序放放在在内内存中。存中。操作系统的功能 w操作系统提供的管理功能主要有：操作系统提供的管理功能主要有：n多任务处理与处理器管理多任务处理与处理器管理（CPU管理）管理）n存储管理存储管理n文件管理文件管理n设备管理设备管理一般还具有中断处理、错误处理等功能。一般还具有中断处理、错误处理等功能。操操作作系系统统的的各各个个功功能能之之间间并并不不是是完完全全独独立立的的，它它们们之之间间存存在在着相互依赖的关系。着相互依赖的关系。3.2.2 3.2.2 多任务处理与处理器管理多任务处理与处理器管理多任务处理（CPU管理）中央处理器（中央处理器（CPU）是计算机系统的核心硬件资源。是计算机系统的核心硬件资源。n任务（任务（tasktask）：指装入内存并启动执行的一个应用程序。指装入内存并启动执行的一个应用程序。w“单任务处理单任务处理”与与“多任务处理多任务处理”n单任务处理：单任务处理：前一个任务完成后才能启动后一个任务的运行，任务前一个任务完成后才能启动后一个任务的运行，任务是顺序执行的是顺序执行的n多多任任务务处处理理（multitaskingmultitasking）：指指操操作作系系统统支支持持的的同同时时运运行行若若干干个个程序的能力程序的能力目的：为了提高目的：为了提高CPU的利用率的利用率 如如：WindowsWindows操操作作系系统统启启动动后后，就就进进入入了了多多任任务务处处理理状状态态。用用户户可可以以启启动动电电子子邮邮件件程程序序、IEIE浏浏览览器器、WordWord等等各各自自独独立立的的运运行行，互互不不干干扰扰（似乎同时工作）（似乎同时工作）n查查看看任任务务状状态态：借借助助于于“WindowsWindows任任务务管管理理器器”，用用户户可可以以随随时时了了解解系系统统中中有有哪哪些些任任务务正正在在运运行行、处处于于什什么么状状态态、CPUCPU的的使使用用率率是是多多少少、存储器使用情况如何存储器使用情况如何等等多任务处理（CPU管理）w任务窗口任务窗口：多多个个任任务务同同时时在在计计算算机机中中运运行行时时，通通常常一一个个任任务务对对应应着着屏幕上的一个窗口屏幕上的一个窗口w活动窗口活动窗口：接接受受用用户户输输入入信信息息（击击键键或或按按击击鼠鼠标标）的的窗窗口口只只能能有有一一个，称为活动窗口，它所对应的任务称为个，称为活动窗口，它所对应的任务称为前台任务前台任务w非活动窗口非活动窗口：其其它它窗窗口口都都是是非非活活动动窗窗口口，非非活活动动窗窗口口所所对对应应的的任任务务称称为为后台任务后台任务什么是前台任务与后台任务？w前台任务：前台任务：能接受用户输入能接受用户输入(击键或按击鼠标击键或按击鼠标)的窗口只能有一个，称为活动窗口，的窗口只能有一个，称为活动窗口，它所对应的任务称为前台任务它所对应的任务称为前台任务w后台任务：后台任务：除前台任务外，所有其它任务均为后台任务除前台任务外，所有其它任务均为后台任务w前台任务与后台任务的区别：前台任务与后台任务的区别：n前台任务对应的窗口前台任务对应的窗口(活动窗口活动窗口)位于其它窗口的前面位于其它窗口的前面n活动窗口的标题栏比非活动窗口颜色更深活动窗口的标题栏比非活动窗口颜色更深(深蓝色深蓝色)n操作系统只把用户输入的信息传送到前台任务所对应的活动窗口中去操作系统只把用户输入的信息传送到前台任务所对应的活动窗口中去w前台任务与后台任务的共同点：前台任务与后台任务的共同点：都在计算机中运行都在计算机中运行w前台任务与后台任务的切换：前台任务与后台任务的切换：n为了输入信息到某个后台任务中去，必须切换窗口为了输入信息到某个后台任务中去，必须切换窗口(单击要激活的后台单击要激活的后台任务窗口的任何部位任务窗口的任何部位,或单击任务栏中对应的任务按钮）或单击任务栏中对应的任务按钮）多任务处理举例制作制作PPT讲稿讲稿查查看看文文件件夹夹内内容容收收发发电电子子邮邮件件播播放放音音乐乐如何知道有哪些任务在运行？w每启动一个应用程序，每启动一个应用程序，OS就会打开就会打开一个相应的窗口，通常一个窗口就一个相应的窗口，通常一个窗口就是一个任务是一个任务w每启动一个应用程序，每启动一个应用程序，OS就会在任就会在任务栏上显示一个相应的任务按钮务栏上显示一个相应的任务按钮(程程序按钮序按钮)，通常一个按钮就是一个任，通常一个按钮就是一个任务务w窗口可以放大或缩小，甚至可以窗口可以放大或缩小，甚至可以“最小化最小化”，但任务的运行不受其影，但任务的运行不受其影响响w使用使用“任务管理器任务管理器”程序可以了解程序可以了解每个任务的运行情况每个任务的运行情况处理器管理（CPU的管理）w目的：目的：让让CPU轮流为所有任务服务轮流为所有任务服务w原则：原则：公平性；优先级；负载均衡公平性；优先级；负载均衡w方法：方法：按时间片轮转按时间片轮转（10-20ms为为1个时间片个时间片）按优先级调度按优先级调度任务任务1任务任务2任务任务3任务任务4任务任务5时间时间时间时间任任务务多任务处理（CPU管理）WindowsWindows操操作作系系统统采采用用并并发发(concurrency)多多任任务务方方式式支支持持系系统统中中多个任务的执行。多个任务的执行。w并发多任务并发多任务：指不管是前台任务还是后台任务，它们都能分配指不管是前台任务还是后台任务，它们都能分配到到CPUCPU的的使用权，因而可以同时运行。使用权，因而可以同时运行。宏观上同时在执行，微观上任何宏观上同时在执行，微观上任何时刻只有一个任务在被时刻只有一个任务在被CPUCPU执行。执行。即这些程序由即这些程序由CPUCPU轮流执行轮流执行。w合理配置任务，才能达到有效并发合理配置任务，才能达到有效并发n如如果果后后台台运运行行的的是是文文件件打打印印、计计算算、文文件件下下载载或或上上传传等等任任务务，前前台台是是文字处理或交互式绘图任务，则整个系统的工作效率就很高；文字处理或交互式绘图任务，则整个系统的工作效率就很高；n如如果果同同时时启启动动了了电电子子表表格格、字字处处理理程程序序和和绘绘图图程程序序，由由于于它它们们都都是是交交互互式式工工作作的的，需需要要作作为为前前台台接接受受输输入入，处处于于后后台台状状态态时时，因因等等待待输输入入而而无无事事可可做做，反反而而要要一一遍遍遍遍地地查查询询有有无无键键盘盘和和鼠鼠标标器器输输入入（而而又又得得不不到输入），白白消耗到输入），白白消耗了了CPUCPU的时间，系统工作效率很低。的时间，系统工作效率很低。多任务处理（CPU管理）为了支持多任务处理，操作系统中有一个为了支持多任务处理，操作系统中有一个处理器调度程序处理器调度程序w处理器调度程序处理器调度程序：负责把负责把CPUCPU时间分配给各个任务，使多个任务同时执行。时间分配给各个任务，使多个任务同时执行。w调度策略调度策略：程程序序一一般般采采用用按按时时间间片片（比比如如1/201/20秒秒）轮轮转转的的调调度度策策略略，即即每每个个任任务务都都能能轮轮流流得得到到一一个个时时间间片片的的CPUCPU时时间间，只只要要时时间间片片用用完之后，调度程序就会把完之后，调度程序就会把CPUCPU交给下一个任务。交给下一个任务。时时间间片片一一结结束束，不不管管任任务务有有多多重重要要，也也不不管管它它执执行行到到什什么么地地方方，正正在在执执行行的的任任务务就就会会被被强强行行终终止止。这这种种做做法法又又叫叫做做抢抢占占式式(PreemptivePreemptive)多任务方式。多任务方式。实际上，操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行实际上，操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行的，它们一起参与的，它们一起参与CPU时间的分配。当然，不同程序的重要性不时间的分配。当然，不同程序的重要性不完全一样，它们获得完全一样，它们获得CPU使用权的优先级也有区别使用权的优先级也有区别多任务处理（CPU管理）w调度优先级调度优先级：操操作作系系统统本本身身也也有有若若干干程程序序正正在在与与应应用用程程序序同同时时运运行行，它它们们一一起起参参与与对对CPUCPU时时间间的的分分配配。而而且且，不不同同程程序序的的重重要要性性不不完完全全一一样样，操操作作系系统统应应给给它它们们赋赋予予不不同同的的获获得得CPUCPU使使用用权权的的优优先先级级，这就使处理器调度的算法更加复杂。这就使处理器调度的算法更加复杂。w调度测度：调度测度：为为了了改改善善系系统统的的性性能能，处处理理器器调调度度的的对对象象粒粒度度会会更更细细一一些些，即把调度单位从即把调度单位从“任务任务”细化为细化为“进程进程”甚至甚至“线程线程”如何结束任务的运行？w每一个应用程序运行时都要占用大量的系统资源每一个应用程序运行时都要占用大量的系统资源(存储器、存储器、CPUCPU、屏幕等屏幕等)，所以当不再需要某个应用程序运行时，就，所以当不再需要某个应用程序运行时，就应该退出这个应用程序，释放它所占用的资源应该退出这个应用程序，释放它所占用的资源w多数应用程序都设计成交互式控制的方式，所以运行完毕多数应用程序都设计成交互式控制的方式，所以运行完毕后必须由用户退出该程序。后必须由用户退出该程序。wWindows XPWindows XP中退出应用程序的几种方法：中退出应用程序的几种方法：n最快速的方法，是左击应用程序窗口右上角的红色最快速的方法，是左击应用程序窗口右上角的红色“叉子叉子”按钮按钮n左击窗口左上角的控制按钮，在弹出菜单中选择左击窗口左上角的控制按钮，在弹出菜单中选择“关关闭闭”n在应用程序的在应用程序的“文件文件”菜单中，选择菜单中，选择“退出退出”n通过通过OSOS的任务管理器，强迫结束任务的任务管理器，强迫结束任务OS如何支持多任务处理？w为什么可以实现多任务处理？为什么可以实现多任务处理？nCPUCPU速度极高，必须并且可以充分发挥速度极高，必须并且可以充分发挥CPUCPU的效能的效能nCPUCPU与与I/O(I/O(外围设备外围设备)可以并行工作可以并行工作n各个外围设备之间可以并行工作各个外围设备之间可以并行工作w实现多任务处理要解决哪些问题？实现多任务处理要解决哪些问题？nCPUCPU如何管理和调度如何管理和调度n存储器空间如何分配和管理存储器空间如何分配和管理n I/OI/O设备和设备和I/OI/O操作如何管理和控制操作如何管理和控制w谁来解决上述问题？谁来解决上述问题？n不是应用程序自己，而是操作系统不是应用程序自己，而是操作系统(OS)!OS)!Windows中的处理器管理wWindows为了确保每个已经启动的任务都有机会运行，它采为了确保每个已经启动的任务都有机会运行，它采用用“抢先式抢先式”多任务处理技术：多任务处理技术：n由硬件计时器大约每由硬件计时器大约每10-20ms发出发出1次中断信号，次中断信号，Windows立即暂停当前正在运行的任务，查看当前所有的任务，选立即暂停当前正在运行的任务，查看当前所有的任务，选择其中的一个交给择其中的一个交给CPU去运行去运行n只要时间片结束，不管任务有多重要，也不管它执行到什只要时间片结束，不管任务有多重要，也不管它执行到什么地方，正在执行的任务就会被强行暂时终止么地方，正在执行的任务就会被强行暂时终止n上述的任务调度，每秒钟要进行几十次几百次上述的任务调度，每秒钟要进行几十次几百次w实际上，操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行实际上，操作系统本身的若干程序也是与应用程序同时运行的，它们一起参与的，它们一起参与CPU时间的分配。当然，不同程序的重要时间的分配。当然，不同程序的重要性不完全一样，它们获得性不完全一样，它们获得CPU使用权的优先级也有区别使用权的优先级也有区别附：多任务处理与多核CPUwCPU瞬间可同时执行的瞬间可同时执行的线程线程(任务任务)数目数目:n单核单核CPU：1双核双核CPU：2四核四核CPU：4InstructionsResults aresequenced1.就绪线程排就绪线程排队等候进入队等候进入CPU处理处理2.那一个那一个CPU空闲，就把等空闲，就把等候的线程交给候的线程交给它执行它执行3.每个每个CPU负负责完成分配给责完成分配给它的线程它的线程任务管理（进程管理）进程的定义进程的定义任务管理（进程管理）进程进程 是操作系统调度的基本单位，它可反映程序的一次执行过程是操作系统调度的基本单位，它可反映程序的一次执行过程（包括启动、运行并在一定条件下中止或结束）。进程包括数（包括启动、运行并在一定条件下中止或结束）。进程包括数据和运行于其上的程序。据和运行于其上的程序。进程与程序的主要区别进程与程序的主要区别：1)1)程序是永存的，进程是暂时的程序是永存的，进程是暂时的 2)2)程序是静态的观念，进程是动态的观念程序是静态的观念，进程是动态的观念 3)3)进程由三部分组成进程由三部分组成 程序程序 数据数据 进程控制块（描述进程活动情况的数据结构）进程控制块（描述进程活动情况的数据结构）进程和程序不是一一对应的进程和程序不是一一对应的 一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序 一个进程可以执行一个或几个程序一个进程可以执行一个或几个程序 进程特征：动态性、并发性、调度性、异步性、结构性进程特征：动态性、并发性、调度性、异步性、结构性任务管理（进程管理）进程管理进程管理 主要是对处理机资源进行管理。为了提高主要是对处理机资源进行管理。为了提高CPUCPU的利用率，一般的利用率，一般采用多进程技术。操作系统按照一定的采用多进程技术。操作系统按照一定的调度策略调度策略，通过进程管，通过进程管理来协调多道程序之间的关系，解决理来协调多道程序之间的关系，解决CPUCPU资源的分配和回收等资源的分配和回收等问题，以使问题，以使CPUCPU资源得到最充分利用资源得到最充分利用。进程管理使用的调度策略进程管理使用的调度策略 调度策略很多，典型的有优先数法，轮转法，分级调度等等。调度策略很多，典型的有优先数法，轮转法，分级调度等等。在处理出现比当前运行进程更重要的可运行进程时，分为抢占在处理出现比当前运行进程更重要的可运行进程时，分为抢占式和非抢占式式和非抢占式。任务管理（并行管理）并行管理并行管理：在在使使用用多多个个CPUCPU的的计计算算机机系系统统中中，操操作作系系统统的的并并行行管管理理模模块块运运用用策策略略作作出出合合理理的的调调度度，把把多多项项任任务务分分配配给给不不同同的的CPUCPU同同时时执执行行，且且保保持持整整个个系系统统协协调调一一致致正正常常有有效效地地工工作作，可可以以充充分分利利用用计计算算机机系系统统中中提提供供的的多多CPUCPU资资源源，每每个个时时刻刻执执行行几几条条指指令令，以以发发挥挥计算机系统的使用效率、改善问题求解的时间效率。计算机系统的使用效率、改善问题求解的时间效率。3.2.3 存储管理存储管理计算机的内存容量总是有限的计算机的内存容量总是有限的在运行规模大、数据多的程序时，内存往往不够使用在运行规模大、数据多的程序时，内存往往不够使用特特别别是是在在多多任任务务处处理理的的时时侯侯，要要求求存存储储器器能能被被多多个个任任务共享务共享因因此此如如何何对对存存储储器器进进行行有有效效的的管管理理，不不仅仅直直接接影影响响到到存储器的利用，而且还对系统的性能有重大的影响。存储器的利用，而且还对系统的性能有重大的影响。操作系统运行时内存的态势 内内存存储储器器其它计算机硬件其它计算机硬件应用程序接口应用程序接口(API)处理器处理器管理管理文件文件管理管理存储存储管理管理文件系统，网络通信程序文件系统，网络通信程序设备驱动程序设备驱动程序设备设备管理管理窗口窗口管理管理应用应用程序程序1应用应用程序程序2应用应用程序程序3用户用户接口外壳接口外壳应用应用程序程序k用用户户操操 作作 系系 统统正在运行的正在运行的应用程序应用程序系统运行时内存储器的布局w内存储器空间划分为内存储器空间划分为2个部分：系统区和用户区，用户区用来存放正在运个部分：系统区和用户区，用户区用来存放正在运行的应用程序行的应用程序操作系统区操作系统区用户区用户区内存储器内存储器应用程序应用程序1应用程序应用程序2应用程序应用程序3应用程序应用程序4应用程序应用程序5w分析：分析：n允许同时运行多少程序？数目有没有限制？允许同时运行多少程序？数目有没有限制？n程序的大小和数据的规模受不受限制？程序的大小和数据的规模受不受限制？n程序与程序相互之间会不会互相干扰？程序与程序相互之间会不会互相干扰？每个应用程序每个应用程序运行时均有属运行时均有属于它自己的存于它自己的存储器空间，用储器空间，用来存储它自己来存储它自己的程序代码和的程序代码和数据数据存储管理存储管理：管理内存资源的高效、合理使用。存储管理：管理内存资源的高效、合理使用。n主存储器空间的分配和回收主存储器空间的分配和回收n主存储器空间的共享主存储器空间的共享n存储保护存储保护n主存储器空间的扩充主存储器空间的扩充n虚拟存储器虚拟存储器共享主存储器资源；共享主共享主存储器资源；共享主存储器的某些区域。存储器的某些区域。1 1）保护操作系统所在区域不被应用程序修改）保护操作系统所在区域不被应用程序修改2 2）对属于自己主存区域中的信息既可读又可）对属于自己主存区域中的信息既可读又可写，不被其它应用程序修改写，不被其它应用程序修改3 3）对公共区域中允许共享的信息或授权可使）对公共区域中允许共享的信息或授权可使用的其他用户的信息，可读而不准修改用的其他用户的信息，可读而不准修改4 4）对未获得授权使用的信息，既不可读又不）对未获得授权使用的信息，既不可读又不可写可写可把磁盘等辅助存储可把磁盘等辅助存储器作为主存储器的扩器作为主存储器的扩充部分来使用充部分来使用主存的存储空间一般分为两部分，一主存的存储空间一般分为两部分，一部分是系统区，存放操作系统以及一部分是系统区，存放操作系统以及一些标准子程序，例行程序等；另一部些标准子程序，例行程序等；另一部分是用户区，存放用户的程序和数据分是用户区，存放用户的程序和数据等。等。存储管理主要是对主存储器中的存储管理主要是对主存储器中的用户区域进行管理。用户区域进行管理。应用程序结束后，收回分配给它的存应用程序结束后，收回分配给它的存储空间储空间当当内内存存不不够够用用时时，把把内内存存和和外外存存结结合合起起来来管管理理，为为用用户户提提供供一一个个容容量量比比实实际际内内存存大大得得多多的的“虚虚拟拟存存储储器器”。操操作作系系统统的的这这一一存存储储管管理理功功能能与与硬硬件件存存储器的组织结构密切相关。储器的组织结构密切相关。存储管理什么是虚拟存储器什么是虚拟存储器 虚拟存储器将虚拟存储器将主存和辅存的地址空间统一编址主存和辅存的地址空间统一编址，只是一个容只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于它借助于磁盘等辅助存储器磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，来扩大主存容量，形成一个庞大形成一个庞大的存储空间。的存储空间。使之为更大或更多的程序所使用。使之为更大或更多的程序所使用。在这个大空间里，用户可以自由编程，完全不必考虑程序在在这个大空间里，用户可以自由编程，完全不必考虑程序在主存是否装得下，以及这些程序将来在主存中的实际存放位置。主存是否装得下，以及这些程序将来在主存中的实际存放位置。以透明的方式给用户提供了一个比实际主存空间大得多的程序地以透明的方式给用户提供了一个比实际主存空间大得多的程序地址空间。址空间。虚拟存储器的空间大小取决于计算机虚拟存储器的空间大小取决于计算机CPUCPU的访存（存储的访存（存储器）能力和实际外存上的虚拟存储器大小器）能力和实际外存上的虚拟存储器大小存储管理虚拟存储系统虚拟存储系统在在虚虚拟拟存存储储系系统统中中，将将程程序序的的地地址址空空间间与与主主存存中中的的存存储储空空间分为两个不同的概念：间分为两个不同的概念：1.主存的存储空间是一个实际的存储空间而简称为主存的存储空间是一个实际的存储空间而简称为实存实存；2.而而将将一一个个计计算算机机系系统统用用软软件件和和硬硬件件结结合合方方式式为为程程序序员员提提供供的的地址空间与想象的一个虚拟存储器空间对应，简称地址空间与想象的一个虚拟存储器空间对应，简称虚存。虚存。这这个个虚虚存存可可以以使使程程序序员员在在其其中中建建立立自自己己的的程程序序，使使用用地地址址空空间间时时，可可以以不不去去考考虑虑实实际际主主存存的的大大小小，也也就就是是说说虚虚拟拟存存储储器器就就是是一一个个地地址址空空间间，程程序序一一般般存存放放于于虚虚存存中中。运运行行时时才才进进入实存入实存。程序运行时，程序运行时，CPU以虚地址来访问主存，以虚地址来访问主存，由辅助硬件由辅助硬件找出虚地址和实地址之间的对应关系。找出虚地址和实地址之间的对应关系。存储管理虚地址和实地址虚地址和实地址用户编程的地址称为用户编程的地址称为虚地址或逻辑地址虚地址或逻辑地址虚拟地址由编译程序生成虚拟地址由编译程序生成的，是程序的逻辑地址，其的，是程序的逻辑地址，其地址空间的大小受到辅助存储器容量的限制。地址空间的大小受到辅助存储器容量的限制。实际的主存单元地址称为实际的主存单元地址称为实地址或物理地址实地址或物理地址。虚地址空间要比实地址空间大得多。虚地址空间要比实地址空间大得多。存储管理虚拟存储器的虚拟存储器的特点特点虚拟存储器和虚拟存储器和Cache都是基于都是基于程序局部性原理程序局部性原理，它们的相同点：，它们的相同点：把程序中最近常用的部分驻留在高速度的存储器中。把程序中最近常用的部分驻留在高速度的存储器中。一旦这部分程序不再常用，把它们送回到低速的存储器中。一旦这部分程序不再常用，把它们送回到低速的存储器中。这种换入、换出操作是由硬件或是操作系统完成，对用户这种换入、换出操作是由硬件或是操作系统完成，对用户透明。透明。力图使存储系统的性能接近高速存储器，价格接近低速存力图使存储系统的性能接近高速存储器，价格接近低速存储器。储器。两者的不同点在于：两者的不同点在于：Cache用硬件实现，对操作系统透明；而虚拟存储器是由用硬件实现，对操作系统透明；而虚拟存储器是由操作系统、硬件相结合实现的。操作系统、硬件相结合实现的。Cache是一个物理存储器；而虚拟存储器仅是一个逻辑存是一个物理存储器；而虚拟存储器仅是一个逻辑存储器，物理结构是建立在主存储器，物理结构是建立在主存-辅存二级存储器结构之上。辅存二级存储器结构之上。存储管理程序局部性原理程序局部性原理 从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空间间90%90%的访问局限于存储空间的的访问局限于存储空间的10%10%的区域中，而另外的区域中，而另外10%10%的访的访问则分布在存储空间的其余问则分布在存储空间的其余90%90%的区域中。这就是通常说的的区域中。这就是通常说的局局部性原理部性原理。访存的局部性规律包括两个方面：访存的局部性规律包括两个方面：1 1、时间局部性时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很：如果一个存储项被访问，则可能该项会很 快被再次访问。快被再次访问。2 2、空间局部性空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近 的项也可能很快被访问的项也可能很快被访问。存储管理虚拟存储器的管理方式虚拟存储器的管理方式虚拟存储器是一个逻辑模型，并不是一个实际的物理储器。虚拟存储器是一个逻辑模型，并不是一个实际的物理储器。虚虚拟拟存存储储器器的的空空间间大大小小取取决决于于计计算算机机CPUCPU的的访访内内部部存存储储器器能能力力和和实际外存实际外存的大小的大小。作用作用 ：（1 1）分隔地址空间分隔地址空间 （2 2）解决主存的容量问题解决主存的容量问题 （3 3）程序的重定位程序的重定位虚拟存储器的按存储映象算法，分为三种不同管理方式：虚拟存储器的按存储映象算法，分为三种不同管理方式：段式段式页式页式段页式段页式这些管理方式的基本原理是类似的这些管理方式的基本原理是类似的存储管理虚拟存储器虚拟存储器的基本思想的基本思想：w在在一一个个假假想想的的容容量量极极大大的的虚虚拟拟存存储储器器中中进进行行编编程程，并并将将程程序序（及其数据）划分成一个个（及其数据）划分成一个个“页面页面”，每页为固定大小。，每页为固定大小。w处理过程处理过程n将将当当前前要要执执行行的的一一部部分分程程序序和和数数据据页页面面装装入入内内存存,其其余余页页面面放在硬盘提供的虚拟内存中，然后开始执行程序放在硬盘提供的虚拟内存中，然后开始执行程序n在在程程序序执执行行过过程程，如如果果需需要要执执行行的的指指令令或或数数据据不不在在物物理理内内存中（缺页），存中（缺页），CPU通知存储管理程序。（缺页报告）通知存储管理程序。（缺页报告）n存存储储管管理理程程序序将将所所缺缺的的页页面面从从外外存存的的虚虚拟拟内内存存调调入入到到实实际际的物理内存，然后再继续执行程序的物理内存，然后再继续执行程序n存存储储管管理理程程序序也也将将内内存存中中暂暂时时不不使使用用的的页页面面调调出出保保存存到到外外存的虚拟内存中存的虚拟内存中w页面的调入和调出完全由存储管理程序自动完成页面的调入和调出完全由存储管理程序自动完成交换交换区作区作为物为物理内理内存的存的补充补充页页表表虚存空间中的页面虚存空间中的页面一部分在物理内存，一部分在物理内存，一部分在硬盘中的一部分在硬盘中的虚拟内存，它们均虚拟内存，它们均登记在页表中登记在页表中虚拟存储器的设计思想物理内存物理内存若物理内存若物理内存已满，需换已满，需换出一页出一页直接直接访问访问进程运行需访问某个页面中的内容时，若该页面进程运行需访问某个页面中的内容时，若该页面在物理内存，就直接访问物理内存在物理内存，就直接访问物理内存磁盘中的磁盘中的交换区交换区(虚拟内存虚拟内存)特点：特点：1）由硬件和）由硬件和OS自动完成，对程自动完成，对程序员透明；序员透明；2）程序可用内存容量允许超）程序可用内存容量允许超过实际物理容量；过实际物理容量；3）多个进程互不干扰）多个进程互不干扰 根据：程序的局部性原理根据：程序的局部性原理虚虚拟拟存存储储空空间间每个进程都在各自的虚每个进程都在各自的虚存空间中工作，虚存空存空间中工作，虚存空间分成许多页，程序和间分成许多页，程序和数据就安排在一个个数据就安排在一个个“页面页面”中中页面页面1页面页面2页面页面3页面页面4页面页面k查表查表页面不在页面不在物理内存物理内存从交换区从交换区读出一页读出一页存储管理虚拟存储器虚拟存储器：磁盘中的虚拟内存磁盘中的虚拟内存虚拟存储器虚拟存储器页面1页面2页面3页面4物理内存物理内存直接直接访问访问页面不在页面不在物理内存物理内存物理内存物理内存已满，换已满，换出一页出一页从从虚虚拟