操作系统讲义

操作系统

第一章操作系统概述

1.1操作系统的目标和作用

1.1.1操作系统的目标

目标：

1.方便性。不需要人人都是程序员

2.有效性。工作协调高效

3.可扩充性。各自独立发展

4.开放性。移植和互操作

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OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通

过OS来使用计算机系统。(从用户角度来看，来操纵计算机。)

(1)命令输入。形式又分为以下几种：

命令行(Comma nd Line In put ):由OS提供的一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。图形用户界面( GUI )：用户通过显示设备上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。自然输入方式( NUI )：用户通过语音识别输入来操纵计算机系统和运行自己的程序。

(2)系统调用方式(System Call )。OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的使用编程调用API

1.1.3推动操作系统发展的主要动力

1.不断提高计算机资源利用率

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用户的需求是推动OS发展的根本动力

2.OS 作为计算机系统资源的管理者在一个计算机系统中通常都含有各种各样的硬件和软

件资源。需要空间和时间来使用这些资源，OS合理调配和使用。(这是从管理者的角度来看)

3.OS用作扩展机、虚拟机隐藏了计算机具体细节，为用户展现的是一台虚拟机，功能上扩展了几个功能部件的组合。 (这是从发展的角度来看) Government

1.2操作系统的发展过程

1.2.1无操作系统的计算机系统

1.人工操作方式

从第一台计算机ENIAC 诞生(1945 年 2 月)到50年代中期的计算机，属于第一代。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：(1) 用户独占全机。(2) CPU 等待人工操作。

2.脱机输入/输出(Of-Line I/O) 方式这种脱机I/O方式的主要优点如下：

(1)减少了CPU的空闲时间。(2)提高I/O速度。

1.2.2单道批处理系统

1.单道批处理系统(Simple Batch Processing System) 的处理过程

2.单道批处理系统的特征该系统的主要特征如下：(1) 自动性。(2) 顺序性。(3) 单道性。

1.2.3多道批处理系统

1.多道程序设计的基本概念

多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System) 。在该系统中，用户所提交的作业都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。

这种调度称之为作业调度。

1.2.4分时系统

1.分时系统(Time Sharing System) 的产生如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。用户的需求具体表现在以下几个方面：

(1)人机交互。

(2)共享主机。

(3)便于用户上机。

2.分时系统实现中的关键问题分时系统性能好坏的主要指标是响应时间。

(1)及时接收。

(2)及时处理。

(3)符合使用习惯。

在OS 中引入多道程序设计技术可带来以下好处：

(1)提高CPU的利用率。

(2)可提高内存和I/O 设备利用率。

(3)增加系统吞吐量。

2.多道批处理系统的特征

(1)多道性。(2) 无序性。(3) 调度性。

3.多道批处理系统的优缺点

(1)资源利用率高。

(2)系统吞吐量大。

(3)平均周转时间长。

(4)无交互能力。

4.多道批处理系统需要解决的问题

(1)处理机管理问题。

(2)内存管理问题。

(3)I/O 设备管理问题。

(4)文件管理问题。

(5)作业管理问题。

3.分时系统的特征

(1)多路性。(2) 独立性。(3) 及时性。(4) 交互性。

1.2.5实时系统

实时系统(Real-Time System) 是指系统能及时( 或即时) 响应外部事件的请求，在规定的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。

1.3操作系统的基本特性

1.3.1并发(Concurrence) 并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。最基本的特征！

1.3.2共享(Sharing) 在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程( 线程)共

同使用。

1.3.3虚拟(Virtual) 操作系统中的所谓虚拟，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。

1.3.4异步性(Asynchronism) 在多道程序环境下，多个进程是以停停走走的方式运行。失去封闭性

第二章进程管理

2.1进程的基本概念

2.1.1程序的顺序执行及其特征

2.1.2前趋图

前趋图(Precedence Graph) 是一个有向无循环图，记为DAG(Directed Acyclic Graph) ，用于描述进程之间执行的前后关系。

2.1.3程序的并发执行及其特征

2.1.4进程的特征与状态

One program which has an independent function works on certain data set dynamically and allocate resources dynamically What is a process? 一个具有一定独立功能的程序对某个数据集合上的一次动态执行过程和资源分配过程

Code，Data，Process Table The Difference Between Process and Program Process is dynamic, and the program is static Process is temporary, the program is permanence

The eleme nts of process and program is differe nt Code Data —PT The relati on ships of process and program are complex Create System call

2.进程的三种基本状态

1)就绪(Ready) 状态2) 执行状态3) 阻塞状态

2.1.5进程控制块

1.进程控制块的作用

进程控制块的作用是记录一个独立运行的进程的基本信息。或者说，OS是根据PCB来对并

发执行的进程进行控制和管理的。

2.进程控制块中的信息

3.进程控制块的组织方式

1)链接方式2) 索引方式

2.2进程控制

2.2.1进程的创建

(1)用户登录。

(2)作业调度。

(3)提供服务。

(4)应用请求。

(1)申请空白PCB。

(2)为新进程分配资源。

(3)初始化进程控制块。

(4)将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。

2.进程的终止过程

(1)根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB从中读出该进程的状态。

(2)若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度。

(3)若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。

(4)将被终止进程所拥有的全部资源，或者归还给其父进程，或者归还给系统。

(5)将被终止进程(它的PCB) 从所在队列(或链表)中移出，等待其他程序来搜集信息。

2.2.2进程的终止

1)正常结束(自愿的)

2)异常结束普通错误退出(自愿的) 致命错误退出(非自愿的)

3)外界干预(非自愿的)

2.2.3进程的阻塞与唤醒

1.引起进程阻塞和唤醒的事件

1 )请求系统服务

2)启动某种操作

3)新数据尚未到达

4)无新工作可做

2.2.4进程的挂起与激活

2.3进程同步

2.3.1进程同步的基本概念

1.两种形式的制约关系

(1)间接相互制约关系。

(2)直接相互制约关系。

2.临界资源(Critical Resource)

3.临界区(critical section)

一个飞机订票系统，两个终端，运行T1、T2 进程

T1 ：

read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x);

T2：read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x);

Critical Regions Coming data blocks Synchronization

4.同步机制应遵循的规则

(1)空闲让进。

(2)忙则等待。

(3)有限等待。

(4)让权等待。(Peterson ' s Algorithm) ：先修改、后检查、后修改者等待正确的算法turn=j; 描述可进入的进程(同时修改标志时) 在进入区先修改后检查，并检查并发修改的先后：检查对方

flag ，如果不在临界区则自己进入－－空闲则入否则再检查turn ：保存的是较晚的一次赋值，则较晚的进程等待，较早的进程进入－－先到先入，后到等待

Mutual Exclusion with Busy Waiting Entering and leaving a critical region using the TSL instruction

Sleep and

Wakeup

Producer-consumer problem with fatal race condition

2.3.2信号量机制

1.整型信号量

最初由Dijkstra 把整型信号量定义为一个整型量，仅能通过初始化和两个标准的原子操作(Atomic Operation) wait(S) 和signal(S) 来访问。两个操作被分别称为P、V 操作(primitive) 。

wait(S): while S < 0 do no op

S： =S-1;

sig nal(S): S : =S+1;

2.记录型信号量

在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量SW 0，就会不断地测试。因此，该机制

并未遵循让权等待的准则，而是使进程处于忙等的状态。记录型信号量机制，则是一种不存在忙等现象的进程同步机制。但在采取了让权等待的策略后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value夕卜，还应增加一个进程链表

L,用于链接上述的所有等待进程。记录型信号量

是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。

P 原语wait(s); down(s); P(s)

--s.count; // 表示申请一个资源;

if (s.count <0)// 表示没有空闲资源;

{ 调用进程进入等待队列s.queue; 阻塞调用进程;}

V 原语signal(s); up(s); V(s)

++s.count; // 表示释放一个资源；

if (s.count <= 0) // 表示有进程处于阻塞状态；

{ 从等待队列s.queue 中取出一个进程P; 进程P 进入就绪队列;} Semaphores

The producerconsumer problem using semaphores Monitors Example of a monitor

2.4经典进程的同步问题

2.4.1生产者消费者问题

1.利用记录型信号量解决生产者消费者问题Dining Philosophers Philosophers eat/think Eating needs 2 forks Pick one fork at a time How to prevent deadlock

2.4.2哲学家进餐问题让奇数号的哲学家先取右手边的筷子，让偶数号的哲学家先取左手边的筷子。send(i) begin if i mod 2 = 0 then else

{ {

P(c[i]); P(c[i+1 mod 5]);

P(c[i+1 mod 5]); P(c[i]); eat; eat;

V(c[i+1 mod 5]); V (c[i]);

V (c[i]); V(c[i+1 mod 5]);

} }

end

2.4.3读者写者问题读者- 写者问题描述

The Readers

and Writers

Problem

1.利用记录型信号量解决读者写者问题

The Sleeping Barber Problem

The Sleeping

Barber

Problem

Solution to sleepingbarber problem

Shared memory( 共享内存)

Message( 消息机制)

Pipe( 管道)

Signal( 信号)

Socket( 套接字)