目錄第一章操作系統概述第二章進程(線程)管理第三章處理機調度第四章死鎖第五章存儲管理第六章虛擬存儲管理第七章I/O設備管理第八章文件系統第一章操作系統概述本章內容1.1操作系統的概念1.2操作系統的發展與分類1.3操作系統的主要功能1.4操作系統的主要特征1.5操作系統的結構設計1.6操作系統的運行環境1.1操作系統的概念1.1.1計算機系統資源1．計算機硬件1.1操作系統的概念2．計算機軟件計算機硬件是所有計算機軟件運行的物質基礎。光有硬件的計算機系統，用戶使用起來非常不方便，而且硬件資源的利用率極低。計算機軟件能充分發揮硬件潛能、擴充硬件功能，并能組織、協調好硬件的使用，完成各種系統任務和應用任務。計算機硬件和軟件相輔相成、互相促進、缺一不可。計算機軟件根據完成任務的不同可分為固化軟件、系統軟件、工具軟件和應用軟件等。

1.1操作系統的概念系統軟件系統軟件是指為程序運行提供運行環境的軟件。系統軟件管理著計算機系統中的各種資源，生成計算機可識別的機器指令，為各類程序提供良好的運行環境。系統軟件種類繁多，包括：操作系統、編譯系統、數據庫管理系統、分布式軟件系統等操作系統是計算機系統中最底層的系統軟件，它為用戶管理好系統中的各種軟硬件資源，提高這些資源的利用率，為計算機用戶提供良好服務。操作系統是計算機系統的核心控制軟件

1.1操作系統的概念1.1.2操作系統地位1.1操作系統的概念1.1.3操作系統的定義操作系統是配置在計算機硬件上的第一層系統軟件，它由許多程序模塊組成。操作系統為用戶控制和管理著計算機系統中的所有軟硬件資源，使計算機系統高效工作；同時又為用戶提供良好的用戶接口，使用戶能夠方便、有效、安全地使用計算機。兩個重要特征：①高效資源管理②方便用戶使用1.1操作系統的概念1.1.4操作系統的設計目標1．高效性2．方便性3．可擴充性4．開放性1.2操作系統的發展與分類1.2.1操作系統發展歷史1．第一代計算機（1946-1955年）：計算機主要由電子管組成，無操作系統2．第二代計算機（1955-1965年）：計算機主要由晶體管組成，出現監控程序1.2.1操作系統發展歷史3．第三代計算機（1965-1980年）：采用集成電路芯片，出現多道批處理系統4．第四代計算機（1980-1990）：采用大規模集成電路芯片，出現成熟商用操作系統5．第五代計算機（1990-至今）：計算機主要由超大規模集成電路芯片組成1.2操作系統的發展與分類1.2.2操作系統分類1.批處理操作系統批處理操作系統（BatchProcessingOperatingSystem）的工作流程為：用戶將作業交給系統操作人員，系統操作人員將多個用戶的作業組成一批輸入磁帶，然后啟動批處理操作系統。系統自動從磁帶上加載作業到內存執行，最后把執行結果輸出。根據系統一次加載作業的道數，批處理操作系統分為單道批處理操作系統和多道批處理操作系統。1.2.2操作系統分類（1）單道批處理操作系統每次只加載一道作業到內存中執行。硬件配置如下圖所示：單道批處理的處理流程如下圖所示：圖

單道批處理系統的處理流程

源程序有錯嗎？否還有下一個作業？是否停止把作業的源程序轉換為目標程序裝配目標程序運行目標程序是開始1.2.2操作系統分類1.2.2操作系統分類2．單道批處理系統的特征主要特征如下：(1)自動性(2)順序性(3)單道性1.2.2操作系統分類單道批處理的主要問題：系統中仍有許多資源空閑，設備利用率低，系統性能較差。為了提高效率，考慮讓計算機同時接受兩道算題。1.2.2操作系統分類（2）多道批處理操作系統每次加載多道作業到內存中并發執行，各個作業輪流使用處理機和其他系統資源，最終依次完成。批處理系統適合處理大批無交互的作業。單道和多道程序運行舉例如下圖所示。1.2.2操作系統分類圖

程序工作示例1.2.2操作系統分類多道批處理系統的優缺點 多道批處理系統是三大基本操作系統類型之一。主要優缺點如下：(1)資源利用率高(2)系統吞吐量大：系統吞吐量是指系統在單位時間內所完成的總工作量(3)平均周轉時間長：作業的周轉時間是指從作業進入系統開始，直至其完成并退出系統為止所經歷的時間(4)無交互能力1.2操作系統的發展與分類2.分時操作系統分時操作系統是指將多個用戶程序裝入內存，系統把CPU的運行時間分成一個個的時間段，每個時間段稱為一個時間片。時間片大小通常為幾十毫秒，用戶程序輪流獲得CPU的時間片。當系統分給用戶程序的時間片用完后，系統強行收回CPU，該用戶程序等待下一次獲得時間片時再繼續執行。重點回顧操作系統的概念操作系統的發展與分類1.2操作系統的發展與分類3.實時操作系統所謂“實時”，即立即、及時的意思。實時操作系統能及時響應外部事件請求并在規定的時間內處理完畢。實時任務按截止時間分為：硬實時任務和軟實時任務實時操作系統為了保證系統能夠及時、準確的做出響應，一般都具備實時時鐘硬件和相關的管理軟件。1.2操作系統的發展與分類4.網絡操作系統地理上分散而且獨立自治的若干臺計算機通過通信線路相互連接形成計算機網絡。計算機網絡有利于用戶突破地理條件的限制，方便使用遠程計算機資源。網絡操作系統就是安裝在計算機網絡中各計算機上的操作系統。網絡操作系統具備以下兩大特征：（1）由于網絡中的各個計算機是相互獨立的，網絡操作系統首先具備普通操作系統的功能，以便能及時響應本地用戶的請求。（2）用戶通過網絡操作系統能夠方便地使用網絡共享資源，這要求網絡操作系統必須遵循網絡體系結構協議，提供網絡管理、通信、安全等各種服務，通過網絡協議實現網絡資源的統一配置，建立網絡資源共享平臺。

1.2操作系統的發展與分類5.分布式操作系統分布式操作系統是為分布式系統配置的操作系統。分布式系統中的計算機既相互對立又相互協作，系統統一進行資源分配和共享，執行中協調各計算機之間的同步，實現它們之間的通信和負載平衡。分布式操作系統以計算機網絡為基礎，系統的各個子功能和子任務被布置在多個處理器上執行，形成處理上的分布；系統的管理模塊可以在系統中的任何一個處理器上運行，進行系統任務分配和負載均衡調整，形成控制上的分布。1.2操作系統的發展與分類5.分布式操作系統網絡操作系統和分布式操作系統的區別：①分布式系統的各個計算機之間地位平等，無主從關系；網絡操作系統中的計算機之間有主從關系。②分布式系統中的系統資源為所有用戶共享；網絡操作系統的各用戶有限制地共享系統資源。③分布式系統中，任務可分給若干處理器相互協作共同完成，而網絡系統中的各個處理器往往是各司其責，不進行協作。1.2操作系統的發展與分類6.嵌入式操作系統嵌入式操作系統（EmbeddedOperatingSystem）是為嵌入式應用研制的一種特定操作系統，它運行在嵌入式計算機或嵌入式處理機芯片上，具有及時響應外部請求，調度執行任務和控制I/O設備等操作系統功能。嵌入式操作系統一般采用微內核結構，常包括以下基本功能：①處理機調度；②基本內存管理；③通訊機制；④電源管理嵌入式操作系統主要具有以下4個特征。①實時性；②微型化；③可定制；④可靠性1.3操作系統的主要功能1.3.1處理機管理功能處理機管理的主要功能包括：進程控制、進程同步、進程通信、進程調度、線程模型等。操作系統所采用的處理機管理策略決定了操作系統的主要性能。例如，批處理方式、分時處理方式、實時處理方式等。從而，呈現在用戶面前，成為具有不同處理方式和不同特點的操作系統。1.3操作系統的主要功能1.3.2存儲器管理功能由于內存容量有限，如何在內存中裝入更多的并發執行進程以及如何運行比內存容量大得多的進程，這也是需要存儲器管理解決的問題。存儲器管理的主要功能包括：內存分配、地址映射、內存共享、內存保護和內存擴充等。1.3操作系統的主要功能1.3.3設備管理功能設備管理的主要任務是管理各類I/O設備，完成用戶提出的I/O請求，要加快I/O信息的傳輸速度，發揮I/O設備的并行性，為用戶屏蔽硬件細節，提供方便簡單的設備使用方法。計算機中所配置的I/O設備多種多樣，它們的工作原理、I/O傳輸速度、傳輸方式千差萬別。為了方便用戶操作這些I/O設備，操作系統通常采用統一界面來管理I/O設備，使用戶感覺不到差異。操作系統將I/O設備本身的物理特性差異交給設備驅動程序去處理，提高了其適應性。設備管理的主要功能包括：I/O設備的控制、緩沖管理、設備獨立性、設備分配、設備處理、虛擬設備管理和磁盤存儲管理等。1.3操作系統的主要功能1.3.4文件管理功能文件管理主要管理計算機系統中的信息資源。操作系統對文件進行有效的管理，有助于提高系統資源利用率和用戶滿意度。操作系統的文件管理模塊是最接近用戶的部分，也是用戶比較熟悉的部分。文件管理的主要功能包括：文件組織方式、目錄管理、文件存儲控制、文件共享和保護、文件操作和文件存儲空間管理等。1.3操作系統的主要功能1.3.5用戶接口管理功能操作系統向用戶提供了各種使用接口，包括命令行接口、圖形用戶接口、系統調用接口等。1．命令行接口2．系統調用接口3．圖形用戶接口1.4操作系統的主要特征1.4.1并發性并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。因為有了并發性，內存中可同時存放操作系統程序和若干個用戶程序，各個程序輪流切換地使用CPU。并發性能有效地提高系統資源利用率和作業吞吐率。并發性同時也給操作系統帶來了一系列問題，使操作系統的設計和實現變得異常復雜。1.4操作系統的主要特征1.4.2共享性共享性和并發性相輔相成。由于并發所以實現了資源共享，但一味追求共享，管理不好就會影響并發性的實現，甚至會導致進程的運行結果錯誤。這些內容在后續章節中會有詳細講解。1.4操作系統的主要特征1.4.3虛擬性

“虛擬”的概念在操作系統中隨處可見。操作系統中的“虛擬”是指通過某種管理技術把一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物，或把物理上的多個實體變成邏輯上的一個對應物。物理實體是客觀存在的，邏輯上的對應物是虛構的，只是用戶主觀上的一種想象。現代操作系統中主要有兩種虛擬技術：時分復用技術和空分復用技術。（1）時分復用技術，即分時使用技術。把硬件設備的使用時間分割成小的時間片，供多個用戶程序“輪流”、“切換”使用。（2）空分復用技術，即通過空間的劃分，把一個物理存儲設備改造成為邏輯上的多個存儲設備。1.4操作系統的主要特征1.4.4異步性異步性指在多道程序設計環境下，系統中每道程序的推進時間、順序以及完成時間由于受其運行環境的影響是不確定的、不可預知的。有的文獻也稱異步性為不確定性、隨機性。異步性增加了操作系統的設計與實現難度，操作系統設計者必須采取一定的措施保證系統不出現結果隨機性。1.5OS結構設計1.5.1無結構的操作系統1.5.2模塊化結構操作系統1.5.3分層式結構操作系統1.5.4虛擬機結構操作系統1.5.5微內核OS結構1.5.1無結構的操作系統在早期開發操作系統時，設計者只是把注意力放在功能的實現和獲得高的效率上，缺乏首尾一致的設計思想。此時的OS是為數眾多的一組過程的集合，每個過程可以任意地相互調用其它過程，致使操作系統內部既復雜又混亂。因此，這種OS是無結構的，也有人把它稱為整體系統結構。1.5.2模塊化結構操作系統1)模塊化程序設計技術的基本概念模塊化程序設計技術是20世紀60年代出現的一種結構化程序設計技術。該技術是基于“分解”和“模塊化”原則來控制大型軟件的復雜度。為使OS具有較清晰的結構，OS不再是由眾多的過程直接構成，而是將OS按其功能精心地劃分為若干個具有一定獨立性和大小的模塊；個模塊具有某方面的管理功能，并仔細地規定好各模塊間的接口，使各模塊之間能通過該接口實現交互。然后，再進一步將各模塊細分為若干個具有一定功能的子模塊。下圖示出了由模塊、子模塊等組成的模塊化OS結構。

圖

模塊化結構的操作系統

1.5.2模塊化結構操作系統1.5.3分層式結構操作系統為了將模塊―接口法中“決定順序”的無序性變為有序性，引入了有序分層法。分層法的設計任務是，在目標系統An和裸機系統(又稱宿主系統)A0之間，鋪設若干個層次的軟件A1、A2、A3、…、An－1，使An通過An－1、An－2、…、A2、A1層，最終能在A0上運行。在操作系統中，常采用自底向上法來鋪設這些中間層。1.5.4虛擬機結構操作系統

1.5.5微內核OS結構為了提高操作系統的“正確性”、“靈活性”、“易維護性”和”可擴充性”，在進行現代操作系統結構設計時，即使在單處理機環境下，大多也采用基于客戶/服務器模式的微內核結構，將操作系統劃分為兩大部分：微內核和多個服務器。至于什么是微內核操作系統結構，現在尚無一致公認的定義，但我們可以從下面四個方面，對微內核結構的操作系統進行描述。1.5.5微內核OS結構1.6操作系統的硬件運行環境一、時鐘為了讓計算機的各項操作功能在不同時間段有序、分布完成，計算機必須提供系統時鐘。系統時鐘通常安裝在主機板上，像節拍器一樣規律性地控制計算機工作。系統時鐘通常分為兩種控制方式：同步時序控制方式和異步時序控制方式。1.6操作系統的硬件運行環境二、特權指令和非特權指令特權指令是只能在核心態下執行的指令，這些指令的執行不但能影響程序本身，還會影響其他程序甚至整個操作系統。例如：啟動物理設備指令、設置時鐘中斷指令、控制中斷屏蔽指令、存儲保護指令等。非特權指令是在核心態和用戶態下都能執行的指令，這些指令的執行只與運行程序本身有關，不會影響其他程序。例如：數據傳送指令、圖形顯示指令等。操作系統能使用特權指令和非特權指令，用戶程序只能使用非特權指令。若用戶程序直接使用特權指令，可能引起系統沖突或由于某些意外造成系統錯誤，威脅系統安全。1.6操作系統的硬件運行環境三、處理機狀態及狀態轉換計算機系統根據運行程序對資源和機器指令的使用權限把處理機的執行狀態分成兩類。（1）核心態（又稱為管態、特權狀態、系統模式）核心態是指操作系統運行時，處理機所處的狀態。處理機處于核心態時，其上運行的程序可以執行包括特權指令和非特權指令在內的全部機器指令，能訪問所有系統資源，并具有改變處理機狀態的能力。（2）用戶態（又稱目態、目標狀態、用戶模式）用戶態是指用戶程序運行時處理機所處的狀態。處理機處于用戶態時只能執行硬件機器指令的一個子集，即非特權指令。

1.6操作系統的硬件運行環境四、程序狀態字程序狀態字用來指示處理機狀態、控制指令執行順序并保留與運行程序有關的各種信息，其主要作用是實現程序狀態的保護和恢復。每個正在執行的程序都有一個與其執行相關的程序狀態字，處理機通過讀取程序狀態字知道當前處于用戶態還是處于核心態。1.6操作系統的硬件運行環境五、中斷、異常和陷阱現代計算機都配置了硬件中斷裝置，它們是計算機系統的重要組成部分。中斷指計算機系統為應對突發事件而采取的處理措施。在進程執行過程中，若遇到某個突發事件，處理機需及時利用設定好的中斷機制中斷當前正在執行的進程，保存好中斷現場，執行中斷處理程序。當中斷處理完后，恢復進程的中斷現場，繼續執行中斷進程。例如：某進程從磁帶讀入一組信息，當發現讀入信息有誤時，產生讀數據錯中斷。操作系統暫停當前工作，組織磁盤退回，重讀該組信息。這可解決錯誤，得到正確磁盤信息。1.6操作系統的硬件運行環境五、中斷、異常和陷阱中斷可分為：硬件中斷和軟件中斷。也可分為三種即陷阱，中斷和異常。（1）中斷中斷我們這里專指來自于硬件的中斷，通常分為電平觸發和邊沿觸發。簡單的說就是CPU每執行完一條都去檢測電平是否變化。如果滿足條件，CPU轉向事先注冊好的函數。系統中最重要的一個中斷就是我們經常說的時鐘中斷。中斷是由操作系統處理的，操作系統會保存程序的現場，用戶程序根本感覺不到中斷的存在。1.6操作系統的硬件運行環境五、中斷、異常和陷阱（2）異常異常是由CPU執行指令的某種特殊結果而引發的中斷。1.6操作系統的硬件運行環境五、中斷、異常和陷阱異常和中斷比較，具有以下明顯特征：①異常由CPU內部產生，在單處理機