第三章 操作系統(tǒng)
本章內(nèi)容主要是:
操作系統(tǒng)的功能、類型，多用戶操作系統(tǒng);進程及線程的概念，進程間的通信，進程管理，作業(yè)調(diào)度，作業(yè)控制，死鎖;頁式、段式、段頁式存儲，虛擬存儲原理，地址轉(zhuǎn)換機制，頁面淘汰算法;文件和文件系統(tǒng)的概念，文件控制塊，文件目錄，文件分類與磁盤調(diào)度;輸入輸出控制方式，設(shè)備驅(qū)動程序，通道，中斷，緩沖技術(shù)，SPOOLing系統(tǒng);操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計;網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng);操作系統(tǒng)（DOS/Unix/Windows）的使用;操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。
一、操作系統(tǒng)的基本概念
1.引言
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件指的是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的物理設(shè)備。操作系統(tǒng)控制和管理所有的系統(tǒng)硬件（如處理器、存儲器、各種設(shè)備），也控制和管理系統(tǒng)中所有的軟件，操作系統(tǒng)為計算機使用者提供了一種良好的操作環(huán)境，也為各種應(yīng)用系統(tǒng)提供了基本的支持環(huán)境。
操作系統(tǒng)在硬件之上建立了一個服務(wù)體系，為各種軟件提供強有力的支持，使呈現(xiàn)在用戶面前的計算機是一個方便的、友好的環(huán)境界面?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)中硬件與軟件之間的關(guān)系可分成若干層次。硬件（*機）在最里層，是計算機系統(tǒng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的外面是操作系統(tǒng)，通過系統(tǒng)程序?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)中各類資源（處理器、存儲器、設(shè)備、數(shù)據(jù)等）進行管理和提供方便用戶使用的多種服務(wù)功能，隱蔽對硬件的復(fù)雜操作，把*機改造成功能更強，使用更方便的系統(tǒng)。
2.什么是操作系統(tǒng)
有幾種不同的方法考察操作系統(tǒng)
（1）用戶觀點
操作系統(tǒng)是用戶與計算機之間的接口，有了操作系統(tǒng)，用戶可以方便地使用計算機;在功能上，操作系統(tǒng)提供功能很強的系統(tǒng)調(diào)用，用戶軟件使用這些系統(tǒng)調(diào)用（也稱管態(tài)）運行。
（2）資源管理
觀點操作系統(tǒng)是控制和管理計算機系統(tǒng)資源的程序，它的工作是當用戶程序和其他程序爭用這些資源時，提供有序的和可控的分配。
（3）進程觀點
操作系統(tǒng)環(huán)境中，常同時運行著多個程序（稱為并發(fā)），這些同時運行的程序稱為“進程”（process），或“任務(wù)”（task）。每個進程都完成各自的特定任務(wù)（如用戶程序的運行，處理某個設(shè)備的輸入輸出……）。操作系統(tǒng)則控制和協(xié)調(diào)這些進程的運行。它從系統(tǒng)各部分可以并行工作為出發(fā)點，考慮管理任務(wù)的分割和相互之間的關(guān)系，通過進程之間的通信解決共享資源時帶來的競爭問題。通常，進程可以分為用戶進程和系統(tǒng)進程兩大類。
（4）分層觀點
根據(jù)使用環(huán)境和對用戶作業(yè)處理方式，操作系統(tǒng)的基本類型可以分為3大類:
·批處理操作系統(tǒng)（batch processing operating system）;
·分時操作系統(tǒng)（time sharing system）;
·實時操作系統(tǒng)（real time system ）
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普遍使用，共享網(wǎng)絡(luò)資源的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的操作系統(tǒng)也已流行。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的操作系統(tǒng)又分成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在各單機操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個協(xié)議、標準進行開發(fā)，形成網(wǎng)絡(luò)軟件，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等;分布式操作系統(tǒng)要求一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，即廢棄（或改造）各單機的操作系統(tǒng)，整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)有單一的操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)負責全系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度，為用戶提供統(tǒng)一的界面。用戶據(jù)此使用系統(tǒng)資源、完成所需任務(wù)。至于設(shè)備在何處用戶是不必知道的，這稱為位置透明性。分布式操作系統(tǒng)是一個邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)。而網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)用戶則需指明欲使用哪一臺計算機上的哪個資源。
3.操作系統(tǒng)的功能
操作系統(tǒng)的職能是管理和控制計算機系統(tǒng)中的全部硬件、軟件資源，合理組織計算機工作流程，并為用戶提供一個良好的工作環(huán)境和友好的接口，系統(tǒng)資源管理和提供用戶界面是操作系統(tǒng)的功能要點。
（1）處理器（處理機）管理
處理器是計算機系統(tǒng)的心臟，在單用戶系統(tǒng)或單道系統(tǒng)中，處理器為一個用戶或一個作業(yè)服務(wù)，其管理簡單。為提高系統(tǒng)資源利用率，引入多道程序技術(shù)，即多個程序（作業(yè)）同時運行，他們爭用處理器，這就要求解決處理器分配調(diào)度策略、實施分配和回收資源。許多操作系統(tǒng)是以作業(yè)和進程的方式進行管理，實現(xiàn)作業(yè)和進程的調(diào)度，分配處理器，控制作業(yè)和進程的執(zhí)行?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)更引入線程（Thread）作為分配處理器的基本單位?；诓僮飨到y(tǒng)對處理器管理策略的不同，其提供的作業(yè)處理方式也就不同，如簡單的批處理方式、分時處理方式、實時處理方式、多道成批處理方式和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的處理方式。從而，呈現(xiàn)在用戶面前的就是不同的操作系統(tǒng)。
（2）存儲管理
計算機系統(tǒng)中，存儲器（一般稱為主存或內(nèi)存）是運行程序、存放工作數(shù)據(jù)的，存儲管理的工作主要是對主存儲器進行分配、擴充和保護。系統(tǒng)中有多個程序（操作系統(tǒng)，實用程序和用戶程序）共享存儲器，它們彼此之間不能相互干擾和破壞，這就是存儲保護問題。當計算機系統(tǒng)中運行的程序所需要的主存容量超過系統(tǒng)所提供的主存容量時，如何利用外部存儲器作為主存的后援，為用戶提供一個容量比實存（實際內(nèi)存）大得多的虛存（虛擬存儲器），讓用戶可運行一個比實存大的用戶作業(yè)，這就是內(nèi)存擴充問題。
（3）設(shè)備管理
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)常常配置很多種類的輸入輸出設(shè)備，它們的輸入輸出速度差別很大，計算機系統(tǒng)常常采用通道、控制器、設(shè)備三級控制方法管理這些設(shè)備，設(shè)備管理的任務(wù)就是監(jiān)視這些資源的使用情況，根據(jù)一定的分配策略，把通道、控制器和設(shè)備分配給請求輸入輸出操作的程序，并啟動設(shè)備完成所需的操作。為了發(fā)揮設(shè)備和處理機的并行工作能力，常常采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)。
（4）文件管理 （信息管理）
用戶使用計算機系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)（信息），這些數(shù)據(jù)和程序作為文件儲存在外部存儲器（如磁盤、磁帶、光盤等）上，文件管理的任務(wù)是管理文件的存儲空間，提供信息的共享和保護，允許多個用戶協(xié)同工作又不引起混亂。
（5）用戶接口（工作管理）
上述四項功能是操作系統(tǒng)對硬、軟件資源的管理，操作系統(tǒng)也必須為用戶提供一個友好的用戶接口---命令接口和圖形接口。一般，用戶通過兩種命令接口請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。一種接口是作業(yè)一級的接口，即提供一組操作命令，如UNIX和Linux的shell命令語言或作業(yè)控制語言（JCL）讓用戶組織和控制自己作業(yè)的運行。作業(yè)控制又分成兩類;聯(lián)機控制和脫機控制。另一種接口是編程接口，即提供一組系統(tǒng)調(diào)用命令（又稱進管指令SVC）供各種程序（實用程序，應(yīng)用程序和用戶程序等）調(diào)用，請求操作系統(tǒng)的服務(wù)，這些服務(wù)常可分成:處理器服務(wù)（作業(yè)、進程、線程管理），存儲服務(wù)，設(shè)備服務(wù)，文件服務(wù)，用戶界面服務(wù)，異常處理服務(wù)，其他類型服務(wù)等。
4.操作系統(tǒng)的工作原理
操作系統(tǒng)的基本特征是并發(fā)和共享。并發(fā)的意思是存在許多同時的活動（或并行的活動）;輸入輸出操作和處理器運行并行活動;在主存中同時駐留幾道用戶程序等都是并發(fā)的例子。并發(fā)活動會要求共享資源和信息，這就能提高資源的利用率。多道程序可以并發(fā)而共享資源，一個用戶的任務(wù)也可以組織成幾個子任務(wù)并發(fā)工作而提高運行效率。
程序非并發(fā)運行時，不能使輸入設(shè)備、處理器和打印機并行工作，若忽略處理器加工數(shù)據(jù)的處理時間，則完成一批數(shù)據(jù)加工的時間為輸入輸出設(shè)備耗時的總和，若將這個計算任務(wù)分成3個子任務(wù)，并引入緩沖技術(shù):輸入子任務(wù)從輸入設(shè)備讀一批數(shù)據(jù)到輸入緩沖區(qū)，處理子任務(wù)則把輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)處理后放入輸出緩沖區(qū)，打印子任務(wù)則打印輸出緩沖區(qū)中的內(nèi)容，從而輸入子任務(wù)可以與打印子任務(wù)并發(fā)工作，使完成一批數(shù)據(jù)加工的時間近似于較慢的設(shè)備所耗的時間。程序的并發(fā)執(zhí)行，發(fā)揮了處理器與輸入輸出設(shè)備并發(fā)工作的能力，使系統(tǒng)的效率提高。多個計算程序同時駐留在主存儲器中并行執(zhí)行的程序設(shè)計方法稱為多道程序設(shè)計，這種系統(tǒng)稱為多道程序系統(tǒng)。多道程序系統(tǒng)能充分提高處理器的利用效率，提高系統(tǒng)資源的利用效率。既然他們同處在一個系統(tǒng)中，一個任務(wù)（或子任務(wù)）的執(zhí)行會受到其他任務(wù)（或子任務(wù)）的影響（又稱為制約）。
本章內(nèi)容主要是:
操作系統(tǒng)的功能、類型，多用戶操作系統(tǒng);進程及線程的概念，進程間的通信，進程管理，作業(yè)調(diào)度，作業(yè)控制，死鎖;頁式、段式、段頁式存儲，虛擬存儲原理，地址轉(zhuǎn)換機制，頁面淘汰算法;文件和文件系統(tǒng)的概念，文件控制塊，文件目錄，文件分類與磁盤調(diào)度;輸入輸出控制方式，設(shè)備驅(qū)動程序，通道，中斷，緩沖技術(shù)，SPOOLing系統(tǒng);操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計;網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng);操作系統(tǒng)（DOS/Unix/Windows）的使用;操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。
一、操作系統(tǒng)的基本概念
1.引言
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件指的是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的物理設(shè)備。操作系統(tǒng)控制和管理所有的系統(tǒng)硬件（如處理器、存儲器、各種設(shè)備），也控制和管理系統(tǒng)中所有的軟件，操作系統(tǒng)為計算機使用者提供了一種良好的操作環(huán)境，也為各種應(yīng)用系統(tǒng)提供了基本的支持環(huán)境。
操作系統(tǒng)在硬件之上建立了一個服務(wù)體系，為各種軟件提供強有力的支持，使呈現(xiàn)在用戶面前的計算機是一個方便的、友好的環(huán)境界面?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)中硬件與軟件之間的關(guān)系可分成若干層次。硬件（*機）在最里層，是計算機系統(tǒng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的外面是操作系統(tǒng)，通過系統(tǒng)程序?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)中各類資源（處理器、存儲器、設(shè)備、數(shù)據(jù)等）進行管理和提供方便用戶使用的多種服務(wù)功能，隱蔽對硬件的復(fù)雜操作，把*機改造成功能更強，使用更方便的系統(tǒng)。
2.什么是操作系統(tǒng)
有幾種不同的方法考察操作系統(tǒng)
（1）用戶觀點
操作系統(tǒng)是用戶與計算機之間的接口，有了操作系統(tǒng)，用戶可以方便地使用計算機;在功能上，操作系統(tǒng)提供功能很強的系統(tǒng)調(diào)用，用戶軟件使用這些系統(tǒng)調(diào)用（也稱管態(tài)）運行。
（2）資源管理
觀點操作系統(tǒng)是控制和管理計算機系統(tǒng)資源的程序，它的工作是當用戶程序和其他程序爭用這些資源時，提供有序的和可控的分配。
（3）進程觀點
操作系統(tǒng)環(huán)境中，常同時運行著多個程序（稱為并發(fā)），這些同時運行的程序稱為“進程”（process），或“任務(wù)”（task）。每個進程都完成各自的特定任務(wù)（如用戶程序的運行，處理某個設(shè)備的輸入輸出……）。操作系統(tǒng)則控制和協(xié)調(diào)這些進程的運行。它從系統(tǒng)各部分可以并行工作為出發(fā)點，考慮管理任務(wù)的分割和相互之間的關(guān)系，通過進程之間的通信解決共享資源時帶來的競爭問題。通常，進程可以分為用戶進程和系統(tǒng)進程兩大類。
（4）分層觀點
根據(jù)使用環(huán)境和對用戶作業(yè)處理方式，操作系統(tǒng)的基本類型可以分為3大類:
·批處理操作系統(tǒng)（batch processing operating system）;
·分時操作系統(tǒng)（time sharing system）;
·實時操作系統(tǒng)（real time system ）
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普遍使用，共享網(wǎng)絡(luò)資源的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的操作系統(tǒng)也已流行。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的操作系統(tǒng)又分成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在各單機操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個協(xié)議、標準進行開發(fā)，形成網(wǎng)絡(luò)軟件，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等;分布式操作系統(tǒng)要求一個統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，即廢棄（或改造）各單機的操作系統(tǒng)，整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)有單一的操作系統(tǒng)。分布式操作系統(tǒng)負責全系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度，為用戶提供統(tǒng)一的界面。用戶據(jù)此使用系統(tǒng)資源、完成所需任務(wù)。至于設(shè)備在何處用戶是不必知道的，這稱為位置透明性。分布式操作系統(tǒng)是一個邏輯上緊密耦合的系統(tǒng)。而網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)用戶則需指明欲使用哪一臺計算機上的哪個資源。
3.操作系統(tǒng)的功能
操作系統(tǒng)的職能是管理和控制計算機系統(tǒng)中的全部硬件、軟件資源，合理組織計算機工作流程，并為用戶提供一個良好的工作環(huán)境和友好的接口，系統(tǒng)資源管理和提供用戶界面是操作系統(tǒng)的功能要點。
（1）處理器（處理機）管理
處理器是計算機系統(tǒng)的心臟，在單用戶系統(tǒng)或單道系統(tǒng)中，處理器為一個用戶或一個作業(yè)服務(wù)，其管理簡單。為提高系統(tǒng)資源利用率，引入多道程序技術(shù)，即多個程序（作業(yè)）同時運行，他們爭用處理器，這就要求解決處理器分配調(diào)度策略、實施分配和回收資源。許多操作系統(tǒng)是以作業(yè)和進程的方式進行管理，實現(xiàn)作業(yè)和進程的調(diào)度，分配處理器，控制作業(yè)和進程的執(zhí)行?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)更引入線程（Thread）作為分配處理器的基本單位?；诓僮飨到y(tǒng)對處理器管理策略的不同，其提供的作業(yè)處理方式也就不同，如簡單的批處理方式、分時處理方式、實時處理方式、多道成批處理方式和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的處理方式。從而，呈現(xiàn)在用戶面前的就是不同的操作系統(tǒng)。
（2）存儲管理
計算機系統(tǒng)中，存儲器（一般稱為主存或內(nèi)存）是運行程序、存放工作數(shù)據(jù)的，存儲管理的工作主要是對主存儲器進行分配、擴充和保護。系統(tǒng)中有多個程序（操作系統(tǒng)，實用程序和用戶程序）共享存儲器，它們彼此之間不能相互干擾和破壞，這就是存儲保護問題。當計算機系統(tǒng)中運行的程序所需要的主存容量超過系統(tǒng)所提供的主存容量時，如何利用外部存儲器作為主存的后援，為用戶提供一個容量比實存（實際內(nèi)存）大得多的虛存（虛擬存儲器），讓用戶可運行一個比實存大的用戶作業(yè)，這就是內(nèi)存擴充問題。
（3）設(shè)備管理
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)常常配置很多種類的輸入輸出設(shè)備，它們的輸入輸出速度差別很大，計算機系統(tǒng)常常采用通道、控制器、設(shè)備三級控制方法管理這些設(shè)備，設(shè)備管理的任務(wù)就是監(jiān)視這些資源的使用情況，根據(jù)一定的分配策略，把通道、控制器和設(shè)備分配給請求輸入輸出操作的程序，并啟動設(shè)備完成所需的操作。為了發(fā)揮設(shè)備和處理機的并行工作能力，常常采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)。
（4）文件管理 （信息管理）
用戶使用計算機系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)（信息），這些數(shù)據(jù)和程序作為文件儲存在外部存儲器（如磁盤、磁帶、光盤等）上，文件管理的任務(wù)是管理文件的存儲空間，提供信息的共享和保護，允許多個用戶協(xié)同工作又不引起混亂。
（5）用戶接口（工作管理）
上述四項功能是操作系統(tǒng)對硬、軟件資源的管理，操作系統(tǒng)也必須為用戶提供一個友好的用戶接口---命令接口和圖形接口。一般，用戶通過兩種命令接口請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。一種接口是作業(yè)一級的接口，即提供一組操作命令，如UNIX和Linux的shell命令語言或作業(yè)控制語言（JCL）讓用戶組織和控制自己作業(yè)的運行。作業(yè)控制又分成兩類;聯(lián)機控制和脫機控制。另一種接口是編程接口，即提供一組系統(tǒng)調(diào)用命令（又稱進管指令SVC）供各種程序（實用程序，應(yīng)用程序和用戶程序等）調(diào)用，請求操作系統(tǒng)的服務(wù)，這些服務(wù)常可分成:處理器服務(wù)（作業(yè)、進程、線程管理），存儲服務(wù)，設(shè)備服務(wù)，文件服務(wù)，用戶界面服務(wù)，異常處理服務(wù)，其他類型服務(wù)等。
4.操作系統(tǒng)的工作原理
操作系統(tǒng)的基本特征是并發(fā)和共享。并發(fā)的意思是存在許多同時的活動（或并行的活動）;輸入輸出操作和處理器運行并行活動;在主存中同時駐留幾道用戶程序等都是并發(fā)的例子。并發(fā)活動會要求共享資源和信息，這就能提高資源的利用率。多道程序可以并發(fā)而共享資源，一個用戶的任務(wù)也可以組織成幾個子任務(wù)并發(fā)工作而提高運行效率。
程序非并發(fā)運行時，不能使輸入設(shè)備、處理器和打印機并行工作，若忽略處理器加工數(shù)據(jù)的處理時間，則完成一批數(shù)據(jù)加工的時間為輸入輸出設(shè)備耗時的總和，若將這個計算任務(wù)分成3個子任務(wù)，并引入緩沖技術(shù):輸入子任務(wù)從輸入設(shè)備讀一批數(shù)據(jù)到輸入緩沖區(qū)，處理子任務(wù)則把輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)處理后放入輸出緩沖區(qū)，打印子任務(wù)則打印輸出緩沖區(qū)中的內(nèi)容，從而輸入子任務(wù)可以與打印子任務(wù)并發(fā)工作，使完成一批數(shù)據(jù)加工的時間近似于較慢的設(shè)備所耗的時間。程序的并發(fā)執(zhí)行，發(fā)揮了處理器與輸入輸出設(shè)備并發(fā)工作的能力，使系統(tǒng)的效率提高。多個計算程序同時駐留在主存儲器中并行執(zhí)行的程序設(shè)計方法稱為多道程序設(shè)計，這種系統(tǒng)稱為多道程序系統(tǒng)。多道程序系統(tǒng)能充分提高處理器的利用效率，提高系統(tǒng)資源的利用效率。既然他們同處在一個系統(tǒng)中，一個任務(wù)（或子任務(wù)）的執(zhí)行會受到其他任務(wù)（或子任務(wù)）的影響（又稱為制約）。