2022年操作系统引论 .pdf
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1、第一章操作系统引论1.1 操作系统的目标和作用1.1.1.操作系统的目标目前存在着多种类型的OS,不同类型的OS ,其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的 OS(1)方便性(2)有效性(3)可扩充性(4)开放性1.1.2.操作系统的作用(1)OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口(2)OS作为计算机系统资源的管理者(3)OS实现了对计算机资源的抽象1.1.3.推动操作系统发展的主要动力(1)不断提高计算机系统资源的利用率(2)方便用户(3)器件的不断更新换代(4)计算机体系结构的不断发展(5)不断提出新的应用需求1.2 操作系统的发展过程1.2.1.未配置操作系统的计算机系统(1)人工操作
2、方式早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带(或卡片),装入纸带输入机(或卡片输入机),再启动它们将纸带 (或卡片) 上的程序和数据输入计算机,然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后,才允许下一个用户上机。人工操作方式的缺点: (1)用户独占全机即一台计算机的全部资源由上机用户所独占;(2)CPU等待人工操作当用户进行装带(卡) 、卸带(卡)等人工操作时,CPU及内存等资源是空闲的。可见,人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率,此即所谓的人机矛盾。(2)脱机输入 /输出方式利用脱机输入 /输出技术 ,事先将装有用户程序和数据的纸带,装入纸带输入机,在一台外围机的控制下,把纸带
3、(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上。当CPU 需要这些程序和数据时,再从磁带上高速地调入内存。类似地,当CPU需要输出时,可先由CPU把数据直接从内存高速地送到磁带上,然后再在另一台外围机的控制下,将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 11 页 - - - - - - - - - 脱机输入 /输出方式的优点: (1)减少了 CPU的空闲时间装带、卸带,以及将数据从低速I/O 设备,送到高速磁带上(或反之)的操作,都是在脱机
4、情况下由外围机完成的,并不占用主机时间,从而有效地减少了CPU的空闲时间。(2)提高了 I/O 速度当 CPU 在运行中需要输入数据时,是直接从高速的磁带上将数据输入到内存的,极大地提高了 I/O 速度,从而进一步减少了CPU的空闲时间。1.2.2.单道批处理系统(1)单道批处理系统的处理过程(2)单道批处理系统的缺点:系统中的资源得不到充分地利用。这是因为在内存中仅有一道程序,每逢该程序在运行中发出 I/O 请求后, CPU便处于等待状态,必须在其I/O 完成后才继续运行。又因I/O 设备的低速性,更使CPU的利用率显著降低。下图 1-5 示出了单道程序的运行情况,从图可以看出: 在 t2t
5、3、 t6 t7 时间间隔内CPU空闲。1.2.3.多道批处理系统(1)多道程序设计的基本概念在该系统中, 用户所提交的作业先存放在外存上,并排成一个队列, 称为“后备队列 ” 。然后由作业调度程序按一定的算法,从后备队列中选择若干个作业 调入内存, 使它们共享 CPU和系统中的各种资源。由于同时在内存中装有若干道程序,这样便可以在运行程序A 时,利用其因 I/O 操作而暂停执行时的CPU空档时间,再调度另一道程序B 运行。同样可以利用程序B 在 I/O 操作时的CPU 空档时间,再调度程序C运行,使多道程序为实现对作业的连续处理,需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上,并在系统中配上监督程序
6、,在它的控制下,使这批作业能一个接一个地连续处理。虽然系统对作业的处理,是成批地进行的,但 在内存中始终只保持一道作业 ,故称为单道批处理系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 11 页 - - - - - - - - - 交替地运行,这样便可以保持CPU处于忙碌状态。图1-6 示出了四道程序时的运行情况。(2)多道批处理系统的优缺点资源利用率高: 引入多道程序能使多道程序交替地运行,以保持CPU处于忙碌状态;在内存中装入多道程序,来提高内存的利用率;此外还
7、可以提高I/O 设备的利用率。系统吞吐量大: 能提高系统吞吐量的主要原因可归结为: CPU和其它资源保持 “忙碌”状态;仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换,系统开销小。平均周转时间长: 由于作业要排队依次进行处理,因而作业的周转时间较长,通常需几个小时,甚至几天。无交互能力 : 用户一旦把作业提交给系统后,直至作业完成, 用户都不能与自己的作业进行交互,这对修改和调试程序是极不方便的。(1)多道批处理系统需要解决的问题多道批处理系统是一种十分有效,但又非常复杂的系统,为使系统中的多道程序间能协调地运行,系统必须解决下述一系列问题:争用处理机问题内存分配和保护问题I/O 设备分配问题文件的组
8、织和管理问题作业管理问题用户与系统的接口问题为此,应在计算机系统中增加一组软件,用以对上述问题进行妥善、有效地处理。这组软件应包括: 能有效地 组织和管理 四大资源的软件, 合理地对各类作业进行调度和控制 它们运行的软件, 以及 方便用户使用计算机的软件。 正是这样一组软件构成了操作系统。据此,我们可把操作系统 定义为: 操作系统是一组能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源,合理地对各类作业进行调度,以及方便用户使用的程序的集合。1.2.4.分时系统(1)分时系统的引入推动分时系统形成和发展的主要动力,则是为了满足用户对人机交互的需求,所形成的一种新型OS。用户的需求具体表现在以下几个方面:人
9、 -机交互共享主机分时系统 是指, 在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端,所组成的系统, 该系统允许多个用户,同时通过自己的终端,以交互方式使用计算机,共享主机中的资源。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 11 页 - - - - - - - - - (2)分时系统实现中的关键问题在多道批处理系统中,用户无法与自己的作业进行交互的主要的原因是:作业都先驻留在外存上, 即使以后被调入内存,也要经过较长时间的等待后方能运行,用户无法与自己的作业进行交互。
10、为了能够实现人机交互,必须解决的关键问题是,如何使用户能与自己的作业进行交互。为此,系统首先必须能提供多个终端,同时给多个用户使用;其次,当用户在自己的终端上键入命令时,系统应能及时接收, 并及时处理该命令, 再将结果返回给用户。此后,用户可根据系统返回的响应情况,再继续键入下一条命令,此即人-机交互。亦即,允许有多个用户同时通过自己的键盘键入命令,系统也应能全部地及时接收并处理。即( 1)及时接收: 要做到及时接收多个用户键入的命令或数据,只须在系统中配置一个多路卡即可。( 2)及时处理: 为实现人机交互,必须彻底地改变原来批处理系统的运行方式,转而采用下面的方式: ( 1)作业直接进入内存
11、。 ( 2)采用轮转运行方式。(3)分时系统的特征分时系统与多道批处理系统相比,具有非常明显的不同特性,可以归纳成以下四方面:多路性独立性及时性交互性?“实时”,是表示“及时” ,而 实时系统 是指系统能及时响应外部事件的请求,在规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时任务协调一致地运行。?特点:及时性要求高,系统可靠性高。(1)实时系统的类型工业(武器)控制系统信息查询系统多媒体系统嵌入式系统(2)实时任务的类型周期性实时任务和非周期性实时任务周期性实时任务是指这样一类任务,外部设备周期性地发出激励信号给计算机,要求它按指定周期循环执行,以便周期性地控制某外部设备。反之, 非周期性实时
12、任务并无明显的周期性,但都必须联系着一个截止时间,或称为最后期限。它又可分为:开始截止时间;完成截止时间。硬实时任务和软实时任务。硬实时任务 指系统必须满足任务对截止时间的要求,否则可能出现难以预测的后果。软实时任务 ,它也联系着一个截止时间,但并不严格,若偶尔错过了任务的截止时间,对系统产生的影响也不会太大。(3)实时系统与分时系统特征的比较多路性独立性及时性交互性可靠性1.3 操作系统的基本特性前面所介绍的三种基本操作系统,都具有各自不同的特征,如批处理系统有着高的资源名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心
13、整理 - - - - - - - 第 4 页,共 11 页 - - - - - - - - - 利用率和系统吞吐量;分时系统能获得及时响应;实时系统具有实时特征。除此之外, 它们还共同具有以下四个基本特征:1.并发性(1) 并行与并发并行性 :是指两个或多个事件,在同一时刻 发生。并发性 :是指两个或多个事件,在同一时间间隔内发生。(2) 进程在一个未引入进程的系统中,在属于同一个应用程序的计算程序和I/O 程序之间, 只能是顺序执行 。但在为计算程序和I/O 程序分别建立一个进程后,这两个进程便可并发执行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程,它们就可以并发执行,这样便能极大的提高系统资源
14、的利用率,以及增加系统的吞吐量。所谓 进程 , 是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的,是一个能独立运行的活动实体。2.共享性在 OS环境下的资源共享,或称为资源复用,是指系统中的资源,可供内存中多个并发执行的进程共同使用。并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征。它们又是互为存在的条件。资源共享是以程序的并发为条件的,若系统不允许程序并发执行,自然不存在资源共享问题。若系统不能对资源共享实施有效的管理,也必将影响到程序的并发执行,甚至根本无法并发执行。目前主要实现资源共享的方式有:(1)互斥共享方式;(2)同时访问方式。(1)互斥共享
15、方式系统中的某些资源,如打印机、磁带机,虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用,但应规定在一段时间内,只允许一个进程访问该资源。为此, 在系统中应建立一种机制,以保证多个进程对这类资源的互斥访问。(2)同时访问方式系统中还有另一类资源,如磁盘设备等,允许在一段时间内,由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”,在单处理机环境下是宏观意义上的,而在微观上,这些进程对该资源的访问是交替进行的。3.虚拟性在 OS中把通过某种技术,把将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物的功能,称为 “虚拟” 。相应地把用于实现虚拟的技术称为虚拟技术,在OS中利用了多种虚拟技术,分别用来实现虚拟处理机、虚拟
16、内存、虚拟外部设备和虚拟信道等:(1)时分复用技术:时分复用技术能提高资源利用率的根本原因在于,它利用某设备为一用户服务的空闲时间,又转去为其他用户服务,使设备得到最充分的利用。(2)空分复用技术:空分复用技术则是利用存储器的空闲空间存放其它程序,来提高了内存的利用率。4.异步性在多道程序环境下,允许多个进程并发执行,但由于竞争资源等因素的限制,使进程的执行不是“一气呵成,而是以“走走停停”的方式运行。多道程序环境下程序的执行,是以异步方式进行的;每个程序在何时执行,多个程序间的执行顺序以及完成每道程序所需的时间都是不确定和不可预知的。进程是以人们不可预知名师资料总结 - - -精品资料欢迎下
17、载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 11 页 - - - - - - - - - 的速度向前推进,此即进程的异步性。1.4 现代操作系统的新特征1.4.1 传统 OS演变为现代OS的主要因素1.计算机硬件的发展2.网络的发展3.多媒体应用4.系统安全性5.软件开发方法的发展1.4.2 多线程1. 线程( Threads )的引入由于进程不仅是一个可独立调度和分派的基本单位,又是一个拥有资源的基本单位,即它拥有一个进程运行时所必需的资源,如所需的内存空间、 相关的文件以及某些I/O 设备等。因而在创
18、建、 撤消和切换中, 系统必须为之付出较大的时空开销,所以进程的切换频率不宜过高,这就限制了并发程度的进一步提高。直到 80 年代中期,人们才又提出了比进程更小的单位线程。这里,线程仅作为调度和分派的基本单位,并不作为拥有资源的单位,使其能“轻装上阵”,故对它的调度所付出的开销就会小得多,能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。2. 线程的属性线程在现代操作系统中有着非常重要的地位,它与进程有着许多相似的特性,其中线程的动态性、 异步性和结构特征,与进程具有相同含意。下面仅对与进程有些差异的线程属性做些补充:(1)轻型实体。(2)独立运行的基本单位。(3)可并发执行。(4)共享进程资源。
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