1、第一部分 操作系统概论详稿6课时引言：本章首先确定操作系统的基本概念，接着分析操作系统的目标、功能和特性，然后简述操作系统的发展历史，即操作系统如何从原始的批处理操作系统演变为高级的多用户多任务的系统。这个历史本身很有趣，从中也可以大致了解操作系统的基本原理。教学内容顺序的处理和教材的内容顺序略有差别，我将教材1.3节与1.1节合并成1.1节介绍，同时强化了多道程序设计的概念。1.1 操作系统的目标、功能和特性一、操作系统的定义和目标计算机发展到今天，从个人机到巨型机，无一例外都配置了一种或多种操作系统，操作系统无疑已经成为现代计算机系统不可分割的重要组成部分，它为人们建立各种各样的应用环境奠
2、定了重要基础。1. 操作系统的定义操作系统(Operating System，OS)是管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。2. 操作系统的主要目标(1) 方便操作系统使计算机更容易使用。(2) 有效操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。(3) 扩展 在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服务的前提下有效地开发、测试和引进新的系统功能。3. 计算机系统的层次结构 计算机系统包括硬件和软件两个组成部分。硬件是软件运行物质基础，软件能充分发挥硬件潜能和扩充硬件功能，完成各种系统及应用任务，两者相互促进
3、、相辅相成、缺一不可。(1) 硬件层提供了基本的可计算性资源，包括处理器、寄存器、存储器和各种I/O设备，这些设备组成了计算机系统的硬件，可以按照用户的需要接受和存储信息、进行数据处理和输出运算结果，是操作系统和软件赖以工作的基础。(2) 操作系统层是最靠近硬件的软件层，对计算机硬件作首次扩充和改造，主要完成资源的调度和分配，信息的存取得和保护，并发活动的协调和控制等许多任务。操作系统是上层其他软件运行的基础，为编译程序和数据库管理系统等系统程序的设计提供了有力的支持。(3) 系统程序层的工作基础就建立在被操作系统改造和扩充过的机器上，利用操作系统提供的扩展指令集，可以较为容易地实现各种各样的
4、语言处理程序、数据库管理系统和其他系统程序。(4) 应用程序层解决用户特定的或不同应用需要的问题，应用程序开发者借助程序设计语言来表达应用问题，开发出各种应用程序。(5) 最终用户则通过应用程序与计算机系统交互来解决他的问题的。二、操作系统的作用与功能1. 操作系统的作用(1) 操作系统是用户和计算机硬件之间的接口。操作系统紧靠计算机硬件并在其基础上提供了许多新的设施和能力，从而使得用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。例如，改造各种硬件设备，使之更容易使用；提供原语和系统调用，扩展机器的指令系统，而这些功能到目前为止还难以用硬件直接实现。操作系统合理地组织计算机的工
5、作流程，为用户提供一个良好的运行环境。经过操作系统改造和扩充过的计算机不单功能更强，使用也更加方便，用户可以直接使用操作系统提供的各项功能，而无需了解许多软硬件本身的细节。对于用户来讲操作系统就成为他与计算机硬件之间的一个接口。(2) 操作系统为用户提供了虚拟机(Virtual Machine)。许多年以前，人们就认识到必须找到某种方法把硬件的复杂性与用户隔离开来，经过不断的探索和研究，目前采用的方法是在计算机裸机上加上一层又一层的软件来组成整个计算机系统。每当在计算机上覆盖一层软件就提供了一种抽象，系统的功能便增加一点，使用也更为方便一点，用户可用的运行环境就更加友好一点。所以当计算机上覆盖
6、操作系统后，就可以扩展基本功能，为用户提供一台功能显著增强，使用更加方便，安全可靠性好，效率明显提高的机器，称呼虚拟计算机，或操作系统虚拟机(Virtual Machine)。(3) 操作系统是计算机系统的资源管理者。计算机系统中能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。资源包括两大类：硬件资源和信息资源。硬件资源分为处理器、存储器、I/O设备等；I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存储型设备；信息资源则分为程序和数据。操作系统的重要任务之一是对资源进行抽象研究，找出各种资源共性和个性，有序地管理计算机中的硬件、软件资源，跟踪资源使用情况，监视资源的状态，满足用户对资源的需求，协调各
7、程序对资源的使用冲突，研究使用资源的统一方法，为用户提供简单、有效的资源使用手段，最大限度地实现各类资源的共享，提高资源利用率，从而提高计算机的工作效率。 资源管理是操作系统的一项主要任务，从资源管理的角度来看操作系统具有处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理等功能。2. 操作系统的功能(1) 处理器管理处理器是计算机系统中最宝贵的资源，必须最大限度地提高处理器的利用率。为了提高处理器的利用率，操作系统通常采用多道程序设计技术，即允许内存中有多道程序存在，当一个运行程序因等待某个事件的发生(例如等待输入/输出完成)而无法继续运行下去，操作系统就要把处理器分配给其他可运行的程序使用，以提高处理
8、器的利用率。为了实现处理器的管理，描述多道程序的并发执行，操作系统引入了进程(process)的概念。简单理解，可以认为进程就是一个正在执行的程序，处理器的分配和执行是以进程为基本单位的。为了进一步提高系统的并行性，使并发执行单位的粒度变细，并发执行的代价降低，操作系统又引入了线程(thread)的概念。对处理器的管理和调度最终归结为对进程和线程的管理和调度，内容包括进程控制和管理；进程的同步和互斥；进程间通信；进程死锁；线程的控制和管理；处理器的调度(分为高级调度，中级调度和低级调度)。这部分内容将在第三章和第四章中作详细介绍。(2) 存储管理存储管理的主要任务是对内存的管理，实现存储空间的
9、合理分配，提高存储空间的利用率，从而为多道程序的运行提供有力的支撑。存储管理应该具备以下功能： 内存分配。根据用户程序的需要为它分配内存空间，在程序运行结束时实现内存资源的回收。 地址映射。用户程序经过编译、链接所形成的可执行程序中的指令和数据的地址都是相对0编址的，称为逻辑地址，由于用户装入内存的起始地址由操作系统安排，故用户程序无法直接装入内存运行，必须由操作系统将用户程序中的逻辑地址转换成物理地址才能执行。 存储保护。内存中有多道用户程序和操作系统存在，存储管理必须要保证各个用户程序相互隔离开来互不干扰，更不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，从而保护系统程序和用户程序在内存中的信息不
10、受破坏。 存储扩充。由于受到处理器寻址能力的限制，一台计算机的物理内存容量总是有限的，一方面难以满足大型用户程序的需求；另一方面内存中同时有多道程序存在，使得存储资源较为紧张，所以存储管理还应该从逻辑上扩充内存，将有效的内存空间和大容量的外存进行统一管理，构造出一个远大于实际内存的、虚拟的存储器。具体的说，在虚拟存储管理下用户程序(包括程序中的数据)只需要部分装入内存就可以运行，其他则存储于外存中。如果在运行过程中发现所需要程序和数据不在内存中，可由操作系统将所需部分从外存调入内存，这样一来，仍能保证用户程序正确运行。当内存空间不足无法装入运行程序所需部分，操作系统就将内存中暂时不用的程序和数
11、据调到外存上，以便让出内存空间供必须之用。如此一来，作业运行就可以不受物理内存容量的限制，用户编程可用的逻辑地址空间可远远大于实际内存空间。这部分内容将在第五章中详细介绍。(3) 设备管理设备管理是指对计算机系统中除处理器和主存储器以外的其他设备的管理。由于外部设备种类繁多、特性不一，操作各异，从而使得操作系统的设备管理变得十分复杂。归纳起来设备管理应该实现的功能有：利用DMA技术或通道技术加快I/O信息的传送速度，最大限度地发挥外部设备和CPU的并行工作能力。 缓冲区的管理。为了缓和CPU和外部设备速度不匹配的矛盾，降低对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制，进一步提高CPU和外部设备
12、的并行工作能力，操作系统在内存中设置缓冲区。当用户程序执行I/O操作时，首先申请一个空缓冲区，然后将要传送的数据送到缓冲区。如果是输入操作，操作系统把缓冲区中的数据提取并发送到用户进程存储区；如果是输出操作，操作系统不断把用户程序的输出数据传送到缓冲区，直到装满为止。存储管理必须做好缓冲区的分配和回收工作。 设备的分配和去配。由于外部设备、设备控制期和通道的数量是有限的，并不是每个用户程序都能获得这些资源。设备管理必须根据一定的设备分配原则和算法为用户程序分配它们所需的外部设备、控制器和通道。在用户程序完成I/O操作时，设备管理还要做好资源的回收工作。 共享磁盘调度。由于操作系统的大部分系统文
13、件和几乎所有的用户文件都存储在磁盘上，再加上操作系统的很多关键技术(例如前面提到的虚拟存储)都是以磁盘作为后援的，因此存储管理必须实现对磁盘的正确管理。磁盘是一种典型的共享存储设备，多个用户程序可对其交替访问，当多个用户程序同时提出磁盘I/O请求时，存储管理必须按照一定的策略实现调度管理。 设备独立性。为了屏蔽各种外部设备的物理特性和差异，存储管理应实现设备独立性，即让用户在编程时使用逻辑设备名，在分配设备时再将逻辑设备转换成物理设备，按照物理设备号进行分配。 虚拟设备。独享设备是指在一段时间内只允许一个用户程序访问的设备，在该用户程序使用独享设备期间，其他想访问的程序只能等待，例如打印机就是
14、典型的独享设备。为了提高这类设备的利用率，在外存的支持下，可使用SPOOLing技术将一台独享设备“改造”成可共享的设备，以供多个用户程序同时使用。这部分内容将在第六章中详细介绍。(4) 文件管理前面三种管理上针对计算机硬件资源的管理。文件管理则是针对系统中的信息资源的管理。在现代计算机中，通常把程序和数据以文件形式存储在外存储器上，供用户使用，这样，外存储器上保存了大量文件，如果对这些文件不能采取良好的管理方式，就会导致混乱或破坏而造成严重后果。为此在操作系统中配置了文件管理，它的抓哟任务是对用户文件和系统文件进行有效管理，实现按名存取；实现文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性；并提供给
15、用户一整套的能方便使用文件操作和命令。具体说来，文件管理要完成以下任务：提供文件的逻辑组织方法；提供文件的物理组织方法；提供文件存取方法；提供文件的使用方法；提供文件的目录管理；实现文件的共享和存取控制；实现文件的存储空间的管理。这部分内容将在第七章中详细介绍。三、操作系统的主要特性1. 并发性(concurrence)(1) 并发和并发的好处并发性是指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指操作系统应该具有处理和调度多个系统中可运行程序同时执行的能力。内存中同时有多个用户程序，或内存中同时有操作系统程序和用户程序被启动交替、穿插地执行，这些都是并发性的例子。发挥并
16、发性能够消除计算机系统部件和部件之间的相互等待，有效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。例如，一个程序等待I/O时，就让出CPU，操作系统可调度另一个程序占有CPU运行，这样一来，在程序等待I/O时，CPU就不会空闲，使得CPU和I/O设备同时工作，这就是并发技术。采用了并发技术的系统又称为多任务系统(multitasking system)。(2) 并行并行性是指两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生。例如，在多处理器系统中，同一时刻有多个程序在不同的CPU上同时执行，这就是并行。分布式系统中，由于多台计算机并存使得程序的并行性得到了更充分的发挥，因为同一时刻每台计算机
17、上都可以有程序在执行。【思考】并发和并行的关系？并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的，并行性是并发性的特例，而并发性是并行性的扩展。2. 共享性(sharing)共享性是指计算机系中的资源(包括硬件资源和信息资源)可被多个并发执行的用户程序和系统程序共同使用，而不是被某一个程序所独占。处于经济上的考虑，一次性向每个用户程序分别提供它所需要的全部资源不仅是浪费，而且有时根本做不到。现实的方法就是让操作系统程序和多个用户程序共用一套计算机系统的所有资源。(1) 互斥访问同一时间内只允许一个程序访问的资源称临界资源(Critical Source)。临界资源只能被互斥地访
18、问和共享。 例如，打印机、磁带机、卡片机等都是临界资源，虽然它们可供多个程序使用，但在同一时间段内只允许一个程序访问这些资源，即要求互相排斥的使用这些资源，当一个程序还在使用该资源时，其他欲访问该资源的程序必须等待，仅当占用者访问完毕并释放资源，才允许另一个程序对该资源进行访问。(2) 同时访问系统中还有许多资源，例如磁盘和各种可重入程序，允许同一时间内多个程序对它们进行访问。这里“同时”是宏观上的说法，从微观上看多个程序访问资源仍然是交错的，只是这种交错访问的顺序对访问的结果没有影响罢了。可重入程序是指程序代码的一个副本在同一段时间可被多个用户共享使用。可重入有两个重要特征：程序代码不能修改
19、自身，每个用户的局部数据必须单独保存。共享性和并发性是操作系统两个最基本的特性它们互为依存。一方面，资源共享显然是因为程序的并发执行而引起的，若系统不允许程序并发执行，自然也就不存在资源共享问题；另一方面，若操作系统不能对资源共享实施有效管理，必然会影响到程序的并发执行。3. 虚拟性(virtual)虚拟性是指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或是把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。例如，在多道程序系统中，物理CPU可以只有一个，每次也仅能执行一道程序，但通过多到道程序设计技术，宏观上有多个程序在执行，就好象有多个CPU在为各道程序工作一样，物
20、理上的一个CPU就变成了逻辑上的多个CPU；Spooling技术可把物理上的一台独占设备变成逻辑上的多台虚拟设备；窗口技术可把一个物理屏幕变成逻辑上的多个虚拟屏幕；通过时分或频分多路复用技术可把一个物理信道变成多个逻辑信用道；虚拟存储器则是把物理上的多个存储器(主存和辅存)编程逻辑上的的一个(虚存)。4. 异步性(asynchronism)异步性也称随机性，是指操作系统控制下的多个程序的多次运行的顺序和每个程序的每次运行时间是不确定的。在多道程序环境中，允许多个程序并发执行，由于资源有限而程序众多，多数情况下，程序的执行不是一贯到底，而是“走走停停”。例如，一个程序在CPU上运行一段时间后，由
21、于资源申请得不到满足或者要等待I/O操作的完成，于是它被暂停执行，操作系统就把CPU分配给另一个程序使用。所以系统中的程序何时执行？何时暂停？以什么样的速度向前推进？程序总共执行多少时间才能完成。这些都是不可预知的。异步性给系统带来潜在的危险，有可能导致程序执行结果不惟一，也可能导致与时间有关的错误。下面举一例说明：假设一个飞机订票系统有两个终端，分别运行程序 Tl 和 T2。该系统的公共数据区中的一些单元Aj(j=l，2，)分别存放某月某日某次航班的余票数，而xl和x2表示进程T1和T2执行时所用的工作单元。飞机票售票程序如下：void Ti()/*(i=1,2)*/ int xi; /*(
22、i=1,2)*/按旅客订票要求找到 Aj; xi=Aj;if(xi=1) xi=xi-1; Aj=xi;输出一张票;else 输出信息“票已售完”;由于T1和T2是两个可同时执行的并发程序，它们在同一个计算机系统中运行，共享同一批票源数据，因此，可能出现如下所示的运行情况：T1：x1=Aj;/*x1=5(Aj=5)*/ T2：x2=Aj;/*x2=5(Aj=5)*/T2：x2=x2-1;Aj=x2;输出一张票;/*Aj=4*/T1：x1=x1-1;Aj=x1;输出一张票;/*Aj=4*/显然，此时出现了把同一张票卖给了两个旅客的情况，两个旅客可能各自都买到一张同天同次航班的机票,可是，Aj的值
23、实际上只减去了1，造成余票数的不正确。特别是，当某次航班只有一张余票时，就可能把这一张票同时售给了两位旅客，这是不能允许的。1.2 操作系统的形成和发展一、人工操作阶段从20世纪40年代后期到50年代中期，操作系统尚未出现，程序员采用手工方式直接控制和使用计算机硬件。程序员将用机器语言编写的程序(包括数据)通过输入设备(如卡片阅读机或纸带输入机)载入计算机主存，然后启动计算机运行程序。如果遇到错误，程序停止，程序员开始检查处理器寄存器和主存储器以确定错误的原因；如果一切正常，输出结果将出现在打印机中。接着轮到下一个用户上机。随后出现的汇编语言和一些高级程序设计语言(如1956年的FORTRAN
24、、1958年的ALGOL和1959年的COBOL)虽方便了用户编程，但计算机的操作方式并没有多大改变，仍然是在人工控制下进行程序装入和执行。人工操作方式存在严重问题：(1) 调度。通常用户需要签约预定机器时间。通常一个用户可以以半小时为单位签约一段时间。有可能用户签约了1小时，而只用45分钟就完成了工作，在剩下的时间中计算机只能闲置导致浪费。另一方面，如果用户遇到一个问题，没有在分配的时间内完成工作，那么在解决问题之前就会被强制停止。(2) 准备时间。一个程序称为作业，它包括往内存中加载编译器和高级语言源程序，保存编译好的目标程序，然后加载目标程序和公用函数并链接在一起。每一步都可能包括安装或
25、拆卸磁带，准备卡片组。如果作业处理过程中发生了错误，那么用户只能全部重新开始。因此，在程序运行前的准备需要花费大量的时间。(3) 用户独占资源。用户一个个、一道道的串行算题，上机时独占全机资源，造成计算机资源利用率不高，计算机系统效率低下。随着计算机速度的提高，串行处理的缺点就更加暴露出来了：例如，一个作业在每秒1万次的计算机上，需运行1个小时，作业建立和人工干预花了3分钟。请计算手工操作时间占总运行时间的比例；当计算机速度提高到每秒10万次时，再计算手工操作时间占总运行时间的比例。二、简单批处理早期的机器是非常昂贵的，因此最大限度地使用机器是非常重要的。由此人们就在思考能不能通过某个软件实现
26、对作业进行自动控制和成批处理，并且实现作业到作业的自动转换，缩短作业的准备和调度时间，减少人工操作和干预，让计算机尽可能的连续运转？于是在20世纪50年代中期，人们设计出第一个批处理操作系统(同时也是第一个操作系统)。在20世纪60年代早期，很多厂商都为自己的计算机系统开发了批处理操作系统，其中用于IBM 7090/7094计算机上的操作系统IBSYS最为著名，它对其他系统有着广泛的影响。1. 基本思想简单批处理方案的中心思想是使用一个称为监控(督)程序的软件。通过使用这类操作系统，用户不再直接访问计算机，而是将各自的作业提交给计算机操作员，操作员收到一批作业后按顺序放在纸带输入机或卡片阅读机
27、器上，接着由监控程序将这批作业从纸带机或卡片机输入到磁带上，然后由监控程序自动把磁带上的第一个作业装入内存，并把控制权交给用户程序，当该作业执行完后，监控程序收回控制权并调入磁带上的第二个作业到内存执行。每个作业的结果被发送到输出设备(如打印机)，交付给用户。通过上述方式监控程序连续地处理一个又一个作业，直到磁带上的作业全部处理完毕。 很奇怪，监控程序是怎么知道对作业如何进行处理的？作业流的自动和控制处理依靠的是作业控制语言。2. 作业控制语言作业控制语言(Job Control Language，JCL)是一种特殊类型的程序设计语言，用于为监控程序自动控制和处理作业提供指令。JCL是由一些描
28、述作业控制过程的控制语句组成，有些类似于汇编语言中的伪指令语句，用来告诉监控程序如何处理用户作业。用户必须事先用JCL语言编写作业说明书，用来描述对作业的加工和处理步骤，提交作业时，连同程序、数据和作业说明书一起提交给计算机操作员，这样一来监控程序就可以依据作业说明书的内容来自动控制作业执行。下面举一个简单的例子：假设一个用户想编译一个FORTRAN程序A，然后对汇编语言源程序B进行汇编，最后将这两个程序链接起来投入运行，可用如下的作业说明书来反映上述要求：$JOB$FTN A$ASM B$LINK A, B, C$RUN C$END说明：注意到作业控制语句都以“$”符号开头。$JOB表示启动
29、一个新作业，$END表示一个作业结束。监控程序读取$FTN行，从海量存储器(通常为磁带)中载入FORTAN编译程序，接着运行编译器并将用户程序A翻译成目标代码并保存在磁带中。编译操作结束后，监控程序重新获得控制权，读取$ASM行，从磁带中载入汇编程序，并将控制权转移给它。汇编器将用户程序B汇编成目标代码也保存在磁带上。然后由监控程序取得控制权，读取$LINK指令，启动链接器，将控制权转移给它，链接器从磁带上加载目标程序A和B，并将它们链接成可执行程序C保存在内存中，最后由监督程序把控制权交给C，开始运行用户程序C。如果作业完成，监控程序读入下一个作业的作业说明书并控制作业运行；如果用户程序在执
30、行过程中发生错误，控制权就转移给监控程序，由监控程序分析原因并作出相应处理，能克服错误就继续运行用户程序；不能克服，监控程序就读取下一个作业运行，直到整批作业处理结束。3. 脱机批处理早期的批处理系统中，一开始作业的输入和输出均是联机的，即I/O设备直接和主机相联。联机I/O的缺点是速度慢，I/O设备和CPU串行工作，CPU时间浪费较大。例如，输入时，要将作业从纸带机或卡片机输入磁带；输出时，要通过打印机打印结果。为了避免主机和慢速I/O设备(卡片机、纸带机和打印机等)打交道，在批处理中引入了脱机I/O技术。除主机外再设一台辅机(也叫卫星机)。辅机不与主机连接，只与I/O设备打交道。输入设备上
31、的作业通过辅机输到磁带上(称为脱机输入)。当主机要处理一批作业时，就把磁带从与辅机相连的磁带机上取下，并装入到主机的磁带机上；主机负责从磁带上把作业读到内存执行，作业完成后，主机负责把结果输出到磁带上(称为脱机输出)。当一批作业处理完后，再将磁带与主机相连的磁带机上取下，并装入到辅机的磁带机上，由辅机把磁带上的结果信息在打印机中打印输出。这样一来，I/O工作脱离了主机，辅机和主机可以并行工作，大大加快了程序的处理和数据的输入与输出，称为脱机I/O技术。4. 简单批处理操作系统的优点和不足(1) 优点简单批处理操作系统，或称监控程序，或称单道批处理操作系统(因为一次内存中只有一道作业运行)和人工
32、操作相比当然有很大的提高，具体表现在： 完成调度功能一批作业排队等候，由监控程序控制作业的执行，并实现作业到作业的自动转换，使得计算机尽可能地联系运转。 改善了作业的准备时间按照作业说明书要求，监控程序可实现对作业的自动控制和处理，避免了人工干预，提高了系统的工作效率。(2) 缺点 资源利用率低每次内存中仅有单个作业在运行，致使系统中有许资源空闲，设备利用率低，系统性能较差。当CPU工作时，外部设备不工作；而外部设备工作时，CPU必须等待。 缺少人机交互在一批作业处理过程中，用户不能干预系统工作。即便是某个程序执行中出现了一个很小的错误，也只能等到这一批作业全部处理完毕后才能修改，这给用户调试和修改程序带来极大的不便。三、多道批处理操作系统1. 多道程序设计(1) 硬件支持20世纪60年代初，中断和通道两项
