计算机操作系统(第七章)
第七章-操作系统的用户接口
第七章操作系统的用户接口概述•OS是计算机的资源管理器和用户接口；•OS的用户接口负责接收用户向OS提出的服务请求，传递有关信息，并将服务的结果返回给用户；•OS用户接口有两类：联机用户接口(有命令行界面和图形界面两种形式)，程序接口(主要是系统调用)。
另外，在Internet中还有一种网络用户接口。
第一节联机命令接口一、什么是联机命令接口•是用户从键盘上输入的OS命令。
通过输入键盘命令，用户可以取得OS 的服务，控制自己的程序执行；•OS的联机命令接口包括：一组联机命令、命令解释程序(命令解释器)和终端处理程序；•联机命令接口的工作过程：(1) 用户在终端上(通过键盘)输入所需命令；(2) 终端处理程序接收该命令，并在屏幕上显示(回显)命令；(3) 一条命令输入完毕，由命令解释程序对命令进行分析，然后执行对应的命令处理程序，完成任务。
二、联机命令1、为了能向用户提供多方面的服务，通常，OS都向用户提供了几十条甚至上百条的联机命令。
这批命令分为内部命令和外部命令两类。
另外，用户建立的每个可执行程序也是一条联机命令(外部命令)。
根据这些命令所完成功能的不同，可把它们分成以下几类：①系统访问类；②磁盘操作类；③文件操作类；④目录操作类；⑤通信类；⑥其他命令。
2、各类命令举例•系统访问类：Login；用户注册命令•磁盘操作命令：Diskcopy；整盘复制命令Format；磁盘格式化命令Diskcomp；软盘比较命令Backup，Restore；硬盘备份与恢复命令•文件操作命令：Type；文件内容显示命令Copy；文件复制命令Comp；文件比较命令Rename；文件重命名命令Erase，Dele；文件删除命令关于文件名中的*和?的意义。
•目录操作命令：Mkdir，Md；建立一个子目录Dir；显示目录表的内容Rmdir，Rd；删除子目录Tree；显示目录结构Chdir，Cd；更改当前工作目录•其它命令I/O重定向命令：在有的OS中定义了两个标准I/O设备。
计算机操作系统
虚拟设备： 虚拟设备：通过软件技术将独享设备改造成共 享设备。例如：通过SPOOLing技术将一台打 享设备。例如：通过 技术将一台打 印机虚拟成多台打印机。 印机虚拟成多台打印机。
5.1.3 4：按设备硬件物理特性分： ：按设备硬件物理特性分： 顺序存取设备、直接存取设备p97 顺序存取设备、直接存取设备
有硬中断和软中断之分， 有硬中断和软中断之分 ， 中断按级别分 类排队工作； 可按字符、 类排队工作 ； 可按字符 、 字 、 块的传递 产生中断； 实时控制常用实时时钟中断， 产生中断 ； 实时控制常用实时时钟中断 ， 起自动控制作用； 起自动控制作用 ； 中断工作主要由中断 请求、 中断响应和中断服务处理组成。 请求 、 中断响应和中断服务处理组成 。 “ 中断” 的产生使管理工作更能“ 自动 中断 ” 的产生使管理工作更能 “ 化”.
5.1.4 设备I/O方式(p98)
1、询问（Query）：实时系统中必需采 、询问（ ） 在一般简单系统中也广泛采用， 用 ， 在一般简单系统中也广泛采用 ， 但 系统开销较大， 每次进行输入输出工作， 系统开销较大 ， 每次进行输入输出工作 ， 都需要由主机CPU干预； 干预； 都需要由主机 干预
5.2.7 总线和接口
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5.3 I/O设备分配算法
先 来 先 服 务 ( FCFS, First Come First Service) ：每一设备有一按请求先后次序排成 的队列， 的队列，设备分配程序把设备分配给队列中的 第一个。 第一个。 按优先级(Priority) ： 一般是系统高于用戶 ， 一般是系统高于用戶， 按优先级 超级用户（系统管理员）高于一般用户。例如， 超级用户（系统管理员）高于一般用户。例如， RTOS 操 作系 统 中 ， 系 统优 先 级高 于 用户 。 Unix操作系统中超级用户优先级高于一般用户。 操作系统中超级用户优先级高于一般用户。 操作系统中超级用户优先级高于一般用户
计算机操作系统(第四版)1-8章-课后答案(全)
计算机操作系统(第四版)1-8章-课后答案(全)第四版计算机操作系统课后答案第一章1. 操作系统的定义操作系统是一种软件，它管理着计算机系统的硬件和软件资源，并为用户和应用程序提供接口，以方便他们的使用。
2. 操作系统的功能操作系统具有以下功能：- 进程管理：负责创建、执行和终止进程，并管理它们的资源分配。
- 存储管理：管理计算机系统的内存资源，包括内存分配、虚拟内存和页面置换等。
- 文件系统管理：管理计算机系统中的文件和文件夹，包括文件的存储、读写和保护等。
- 设备管理：负责管理计算机系统中的各种设备，如打印机、键盘和鼠标等。
- 用户接口：提供用户与计算机系统进行交互的接口，如命令行界面和图形用户界面。
3. 操作系统的类型操作系统可以分为以下类型：- 批处理操作系统：按照一系列预先定义的指令集来运行任务。
- 分时操作系统：多个用户可以同时使用计算机系统。
- 实时操作系统：对任务的响应时间要求非常高，用于控制系统和嵌入式系统。
- 网络操作系统：支持多台计算机之间的通信和资源共享。
- 分布式操作系统：在多台计算机上分布式地管理和调度任务。
第二章1. 进程与线程的区别进程是计算机系统中正在运行的程序实例，而线程是进程内的一个执行单元。
进程拥有独立的地址空间和资源，而线程共享进程的地址空间和资源。
多个线程可以在同一进程内并发执行，从而提高系统的效率和资源利用率。
2. 进程的状态转换进程可以处于以下状态：- 创建状态：进程正在被创建。
- 就绪状态：进程准备好执行，等待分配CPU资源。
- 运行状态：进程占用CPU资源执行。
- 阻塞状态：进程等待某种事件发生。
- 终止状态：进程完成执行或被终止。
3. 进程调度算法操作系统使用进程调度算法来决定哪个进程应该被执行。
常见的调度算法有：- 先来先服务（FCFS）调度算法：按照进程到达的顺序进行调度。
- 最短作业优先（SJF）调度算法：选择运行时间最短的进程进行调度。
操作系统 第七章 文件管理
（2）存取控制信息类
存取权限
（3）使用信息类
文件的建立日期和时间等。
2．索引结点
（1）索引结点的引入
文件描述信息单独形成 一个称为索引结点的数 据结构，简称为i结点。 在文件目录中的每个目 录项，仅由文件名和指 向该文件所对应的i结点 的指针所构成。
2．索引结点
（2）磁盘索引结点包括以下内容：
7.3.3 树形结构目录（多级目录结构）
（2）路径名
从树的根（即主目录）开始，把全部目录文件名 与数据文件名，依次地用“/”连接起来，即构成 该数据文件的路径名（path name）。 系统中的每一个文件都有惟一的路径名。
（3）当前目录
为每个进程设置一个“当前目录”，又称为“工
作目录”进程对各文件的访问都相对于“当前目 录”而进行。
7.2.4 索引文件
对于定长记录，可方便地实现直接存取。对于变长 记录就较难实现直接存取，为了解决这一问题，为 变长记录文件建立一张索引表，索引表是按键排序 的，可以方便地实现直接存取。
7.2.5 索引顺序文件
索引顺序文件 : 将顺序文件中的所有记录分为若 干个组, 为顺序文件建立一张索引表，在索引表 中为每组中的第一个记录建立一个索引项，其中 含有该记录的键值和指向该记录的指针。
1．线性检索法
线性检索法又称为顺序检索法。
①在单级目录中，利用用户提供的文件名，用顺序查 找法直接从文件目录中找到指名文件的目录项。 ②在树型目录中，用户提供的文件名是由多个文件分 量名组成的路径名，此时须对多级目录进行查找。
1．线性检索法
假定用户给定的文件路径名是/usr/ast/mbox，则查找 /usr/ast/mbox文件的过程如图7-12 所示
计算机操作系统【第七章】 汤子瀛版
计算机操作系统【第七章】1．试画出微机和主机中常采用的I/O系统结构图。
微机中常采用的I/O系统结构图为：主机中常采用的I/O系统结构图为：2．试说明设备控制器的构成。
设备控制器的构成如图所示：由上图可见，设备控制器由以下三部分组成：（1）设备控制器与处理机的接口，该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信，提供有三类信号线：数据线、地址线和控制线。
（2）设备控制器与设备的接口，可以有一个或多个接口，且每个接口连接一台设备。
每个接口都存在数据、控制和状态三种类型的信号。
（3）I/O逻辑，用于实现对设备的控制。
其通过一组控制线与处理机交互，处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令，I/O逻辑对收到的命令进行译码。
3．为了实现CPU与设备控制器之间的通信，设备控制器应具有哪些功能？为了实现CPU与设备控制器之间的通信，设备控制器应具有如下功能：（1）接受和识别命令。
CPU可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。
设置控制寄存器来存放所接收的命令和参数。
（2）数据交换，指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。
设置数据寄存器来存放有关数据。
（3）设备状态的了解和报告。
控制器记录下所连接设备的状态以供CPU了解。
为此，要在控制器中设置一状态寄存器，用其中的每一位反映设备的某一状态。
（4）地址识别。
配置地址译码器以便于正确识别设备地址。
4．分别就字节多路通道、数据选择通道和数组多路通道进行解释。
①字节多路通道含有许多非分配型子通道分别连接在低、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按字节方式进行数据传送。
具体而言，当第一个子通道控制其I/O 设备完成一个字节的交换后，便立即腾出字节多路通道（主通道），让给第二个子通道使用；当第二个子通道也交换完一个字节后，又依样把主通道让给第三个子通道使用，以此类推。
转轮一周后，重又返回由第一个子通道去使用主通道。
②数组选择通道只含有一个分配型子通道，一段时间内只能执行一道通道程序、控制一台设备按数组方式进行数据传送。
计算机操作系统第七章--磁盘调度
7.1.1磁盘性能简述
2.移动头磁盘 每个盘面配一个磁头，装入磁臂 中，为能访问该盘面上的所有磁道，该 磁头必须移动进行寻道。移动头磁盘只 能进行串行读/写，I/O速度较慢，但结 构简单，广泛地用于中、小型磁盘设备 中。在微机上配置的温盘(温彻斯特)和 软盘，都采用移动磁头结构，故本节主 要针对这类磁盘的I/O进行讨论。
7.1.3 各种扫描算法
N步SCAN算法是将磁盘请求队 列分成若干个长度为N的子队列，磁 盘调度将按FCFS算法依次处理这些 子队列。每处理一个队列时，又是 按SCAN算法，对一个队列处理完后 又处理其它队列，这样就可避免出 现粘着现象。
7.1.3 各种扫描算法
当N值取得很大时，会使N步扫描 算法的性能，接近于SCAN算法的性 能，当N=1时，N步SCAN算法退化 为FCFS算法。
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55 39
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3 16
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平均寻道长度：27.8
7.1.3 各种扫描算法
二、循环扫描CSCAN(Circular SCAN)单 向扫描 SCAN算法既能获得较好的性能， 又能访止进程饥饿，广泛用于大、中、 小型 机和网络中的磁盘调度。
7.1.3 各种扫描算法
问题：当磁头刚从里向外移动过 某一磁道时，恰有一进程请求访问 此磁道，这时该进程必须等待，待 磁头从里向外，然后再从外向里扫 描完所有要访问的磁道后，才处理 该进程的请求，致使该进程的请求 被严重地推迟。
7.1.3 各种扫描算法
被访问的下 一个磁道号 150 160 184 18 38 39 55 58 90 移动距离 (磁道数) 50 10 24 166 20 1 16 3 32
平均寻道长度：27.5
第七章 UNIX 系统
copyright@2005.计算机学院软件教研室 张练兴等
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第七章UNIX系统 第10页
UNIX的设计原理
• 做到尽量使得系统很小，许多算法采用了最简单 的，而不过多考虑速度和效率。使得内核短小， 系统调用方便。 • 为用户在需要时自己设计一个更为复杂高效的系 统而提供了条件。 • 灵活性是系统发展中一个关键的因素。 • 在程序设计时总是将其交互性和方便性放在最高 的优先级别上进行考虑。[所谓的方便性是体现在程序代码的选择上
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第七章UNIX系统 第3页
7.1.1 UNIX系统的发展
• Ritchie 和 Thompson通过几年努力工作，他们将UNIX移 植到了PDP-11/20机器的环境下运行，产生了UNIX的第 二个版本。 • 第三个版本是使用C语言重写了所有的汇编语言代码而得 到，并移植到了PDP-11/45和PDP-11/70等机器的环境下 运行，加入了多道程序设计技术和其它一些增强的性能。 • 1978年又发表了UNIX 第七版本，它是在PDP-11/70上运 行的。1982年和1983年又先后宣布了UNIX System Ⅲ和 UNIX SystemⅤ；1984年推出了UNIX System V2.0， 1987年发布了V3.0版本，分别简称为UNIX SVR 2和UNIX SVR 3；1989年发布了UNIX SVR 4。目前使用较多的版 本是在1992年发布的UNIX SVR 4.2。
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第七章UNIX系统 第7页
7.1.1 UNIX系统的发展
操作系统原理电子课件教案-第七章 主存管理
0 20KB 52KB 66KB 130KB
os
作业1 作业2
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作业2 完成
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Hale Waihona Puke 230KB256KB1
主存
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主存
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(二) 主存管理功能
一、几个概念 1. 物理地址（绝对地址、实地址）
物理地址是计算机主存单元的真实地址，又称绝对 地址或实地址。
2. 主存空间
物理地址的集合所对应的空间组成了主存空间。
3. 区域
物 理 地 址 集 合 的 一 个 递 增 整 数 序 列 子 集 n, n+1, …,n+m所对应的主存空间。
有一定容量的主存： 存放运行进程的当前信息
地址变换机构
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六、存储保护
1. 什么是存储保护
在多用户环境中，主存储器按区分配给 各用户程序使用。为了互不影响，必须 由硬件（软件配合）保证每道程序只能 在给定的存储区域内活动，这种措施叫 做存储保护。
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2. 存储保护方法 界地址保护 存储键保护
作业3
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主存
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5 页面淘汰算法与工作集管理(1)
•请页式和页簇化调页技术， •页簇化策略能减少线程引发的缺页中断次数， 减少调页I／O的数量。 •缺省页面读取簇的数量取决于物理内存大小， 当内存大于19MB时，代码页簇为8页、数据页簇 为4页、其他页簇为8页。
页面淘汰算法与工作集管理(2)
• 采用局部FIFO算法。 • 采用局部淘汰可防止客户进程损失太多内存； • 采用FIFO算法可让被淘汰的页在淘汰后在物理内存 中停留一段时间，如果马上又用到该页的话，就可 很快将该页回收，而无需从磁盘读出。
工作集管理(3)
• 当物理内存剩余不多时，系统检查每个进程，其当 前工作集是否大于其最小工作集，是则淘汰该进程 工作集中的一些页，直到空闲内存数量足够或每个 进程都达到其最小工作集。
工作集管理(4)
• 系统定时从进程中淘汰一个有效页，观察其是否对 该页发生缺页中断，以此测试和调整进程当前工作 集的合适尺寸。如果进程继续执行，并未对被淘汰 的页发生缺页中断，则该进程工作集减1，该页被 加到空闲链表中。
“修改页写回程序”
• 零初始化链表，空闲链表和后备链表的页框数 低于允许的最小值时，将修改链表中的页面写 回磁盘，然后，这些页框可放入后备链表。 • 当修改链表太大时，把修改链表中的页面写回 页文件中。 • 把修改页写回磁盘后，系统的可用页框还太少， 把进程的工作集调整到最小规模，新淘汰的页 被放到修改链表或后备链表中。
(1)执行体使用内存映射把可执行文 件.exe和动态连接库.dll文件装入内存， 节省应用程序启动时间。 (2)进程使用内 存映射文件存取磁盘文件信息，减少文件 I/O和对文件进行缓存。(3)多个进程使用 内存映射文件来共享主存中的数据和代码。
内存映射文件(2)
使用步骤
步1使用CreateFile打开文件 步2使用CreateFile Mapping建立文件映射 步3使用MapViewOfFile 读写文件视窗 步4使用OpenFileMapping 打开文件映射对象 步5使用UnmapViewOfFile解除映射
3 页框号数据库(1)
所有内存物理页框组成了页框数据库 （Page Frame Datebase）,每个页框占一项， 每项称为一个PFN结构（Page Frame Number）。
•
工作集索引
页框号数据库(2)
前向链接
页表项地址
共享计数 标识 类型 访问计数
页表项地址
后向链接 标识 类型 访问计数
内存管理的实现
1进程页表与地址映射 •在x86硬件平台上采用二级页表结构来 实现进程的逻辑地址到物理地址的转换。 •32位逻辑地址解释成三个分量，页目录 索引（10位）页表页索引（10位）和位置 索引（12位），页面大小为4KB。
2原型页表项和区域对象(1)
当两个进程共享一个物理页框时，内存管理 器在进程页表中插入一个称作“原型页表 项”prototype PTE的数据结构来间接映射 共享的页面。
初始页表项的内容 页表项的页框号
初始页表项的内容 页表项的页框号
工作集中页面的PFN
前向链接 页表项地址 后向链接 标识 类型 访问计数
后备或修改链表中页面的PFN
事件地址 页表项地址 共享计数 标识 类型 访问计数
初始页表项的内容 页表项的页框号
初始页表项的内容 页表项的页框号
零或空闲链表中页面的PFN
3 区域对象和视窗
系统提供视窗AWE机制，为区域对象空间中的一部分 空间（进程当前所需要的）保留虚地址，而所映射的 这一部分叫该区域对象的一个视窗。
• 映射区域对象的视窗就是使该区域的一部分能在虚地 址空间可见。
• 删除映射区域对象的视窗就是把它从进程的虚拟地址 空间中删去。
• 进程通过对区域对象多次开设和删除视窗，达到在较 小虚地址空间（最大232B）中处理较大区域对象（264B） 的目的。
VAD的使用
• 线程首次访问一个地址，内存管理器为此 地址的页面创建一个页表项，它找到一个 包含被访问地址的VAD，并利用所得信息填 充页表项。 • 如果访问地址落在VAD覆盖的地址范围外， 或所在的地址范围仅被保留而未提交，将 产生一次访问违规。
2 区域对象及作用
“区域对象”（Section object）在Win32子系 统中被称为“文件映射对象”，表示可被两个或多 个进程所共享的内存块。其作用有： • 系统利用区域对象将可执行映象装入内存； • 高速缓存管理器利用区域对象访问高速缓存文件中 的数据； • 使用区域对象将文件映射到进程地址空间，可像访 问内存中数组一样访问这个文件，而不是对文件进 行读写。
系统工作集中可以驻留5种页面
• • • • • 系统高速缓存页面 分页缓冲池 Ntoskrnl.exe中可分页代码和数据 设各驱动程序中可分页代码和数据 系统映射视图
6其他内存管理机制(1)
(1) 锁内存: (2)分配粒度: (3) 内存页级保护机制 ： • 区分核心态和用户态， • 每个进程只有独立、私有的虚拟地址空间，禁止其他进程 的线程访问， • 以页面为单位的保护机制， • 以对象为单位的保护机制。
原型页表项和区域对象(2)
进程1 页目录 页表
有效
原型PTE地 址 原型PTE 无效页框： 在页文件
内存
共享页面
进程2 页目录
页表
原型PTE 有效页框： 在内存
原型PTE地 址 有效
进程通过原型PTE共享页框
原型页表项和区域对象(3)
共享页面是原型PTE所描述的6种状态之一
• • • • • • 活动／有效 ，页面存在物理内存中。 过渡，所需页在后备链表或修改链表中。 修改尚未写入，所需页在修改尚未写入链表中。 请求零页， 所需页内容应为零页。 页文件， 所需文件驻留在页文件中。 映射文件， 所需页驻留在映射文件中。
4 应用程序内存管理方法
1)虚页内存分配(1) 系统中使用虚拟内存，分三个阶段： •保留内存（reserved memory） •提交内存（committed memory） •释放内存 (release memory)
虚页内存分配(2) 保留内存
• Virtual Alloc 申请保留内存 • 申请保留内存的方法 • 申请保留内存的参数
区域对象的结构
对象类型 对象属性 区 域
最大尺寸 页保护限制 盘交换区／映射文件 基本／非基本区域 创建区域 打开区域 扩展区域 映射／取消映射视口 查询区域
对象服务
区域对象的使用
• 一个区域对象代表可由两个或多个进程共 享的内存块。 • 一个进程的线程可创建区域对象，为它起 名字，以便其他进程的线程能打开这个区 域对象的句柄。 • 区域对象句柄被打开后，线程就能把这个 区域对象映射到自己或另一个进程的虚地 址空间中。
虚页内存分配(3) 提交/释放内存
•什么是提交内存 •提交内存的方法 •分配内存 • Virtual Free释放内存
2)内存映射文件(1)
Memory-mapped File允许进程分配一段虚地 址空间或某一个盘文件相关联，当把盘文件映 射到该地址空间后，多个进程可以方便地访问。 内存映射文件用于三种场合:
计算机操作系统 第七章 Windows进程和存储管理 示例
实例研究：Windows 2000/XP虚拟存储管理
7.1进程地址空间布局 7.2用户空间内存分配 7.3内存管理的实现
7.1 进程地址空间布局
FFFFFFFFH C0000000H C0000000H
固定页面区
页交换区 系统存储区 操作系统驻留区 （直接映射区）
80000000H
页交换区
用户存储区
统管理应用程序内存有两个数据结构： 虚址描述符和区域对象；三种内存管理方 法： • 虚页内存分配 • 内存映射文件 • 内存堆分配
1 虚址描述符
对每个进程，内存管理器都维护一组VAD ，用来 描述进程地址空间哪些虚拟地址已被保留，而哪些 没有，这个数据结构叫“虚地址描述符”VAD。
3)内存堆分配
• 堆（heap）是保留地址空间中一个或多个页 组成的区域，并由堆管理器按更小块划分和 分配内存的技术。 • 缺省进程堆。 • HeapCreate创建私有堆，Heap Destroy 释放 私有堆。 • GetprocessHeap得到指向堆的句柄， • HeapAlloc和HeapFree从堆中分配和回收内存 块。
区域对象和视窗示意
进程1的虚拟内存
／／／／／
物理内存
进程2的虚拟内存
／／／／／
区域对象
使用AWE函数来分配内存
步1：分配要使用的物理内存 步2：创建一个虚地址空间作为视窗 来映射区域对象 步3：把区域对象映射到视窗
区域对象和视窗 视窗机制作用
• 当基于内存映射文件的区域对象远远大 于虚地址空间时， • 当基于盘交换区（交换文件）的区域对 象远大于交换空间时， • 用于共享时。
零初始化 页链表 请 求 零 页 缺 页 中断
线程0 从外存或 内核配置 读入的页 空闲页链表
分配页 框到进 程工作 集
修改页链表 工作集中删修改页
修改页写回线程
后备页链表 工作集中删一页
工作集 重 置
页框的状态及其转换
4 请求调页
• 内存管理器在分配页框时，按照以下次序 从非空链表中取得页面进行分配： 零页链表－>空闲链表－> 后备链表－>修改链表。
正在I/O页面的PFN
页框号数据库(3)
PFN可能状态
1、有效（Vaild） 2、过渡（transition） 3、后备（Stand by） 4、修改（Modified） 5、修改不写入（modiqied no write） 6、空闲（free） 7、零初始化（zeroed） 8、坏（bad）
页框号数据库(4)
工作集管理(1)