普 通 高 等 教 育 十 二 五 重 点 规 划 教 材 计 算 机 系 列 中 国 科 学 院 教 材 建 设 专 家 委 员 会 十 二 五 规 划 教 材 操 作 系 统 戴 仕 明 姚 昌 顺 主 编 姜 华 张 希 伟 副 主 编 郑 尚 志 梁 宝 华 参 编 参 编 周 进 钱 进

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1 科 学 出 版 社

2 普 通 高 等 教 育 十 二 五 重 点 规 划 教 材 计 算 机 系 列 中 国 科 学 院 教 材 建 设 专 家 委 员 会 十 二 五 规 划 教 材 操 作 系 统 戴 仕 明 姚 昌 顺 主 编 姜 华 张 希 伟 副 主 编 郑 尚 志 梁 宝 华 参 编 参 编 周 进 钱 进 参 编 北 京

3 内 容 简 介 本 书 由 浅 入 深 系 统 全 面 地 介 绍 了 计 算 机 系 统 中 的 一 个 重 要 系 统 软 件 操 作 系 统 (OS) 全 书 共 分 9 章, 主 要 内 容 包 括 操 作 系 统 引 论 进 程 管 理 处 理 机 调 度 与 死 锁 存 储 器 管 理 设 备 管 理 文 件 管 理 操 作 系 统 接 口 网 络 操 纵 系 统 及 UNIX 系 统 内 核 结 构 等 本 书 每 一 章 都 设 置 了 考 研 真 题 解 析 和 习 题 等 模 块, 以 便 于 读 者 掌 握 本 章 的 重 点 及 提 高 实 际 解 决 问 题 的 能 力 本 书 结 构 清 晰 易 教 易 学 实 例 丰 富 可 操 作 性 强 注 重 能 力 培 养 本 书 既 可 作 为 高 等 院 校 计 算 机 专 业 的 教 材, 也 可 作 为 计 算 机 技 术 各 类 培 训 班 的 培 训 教 程 此 外, 本 书 也 非 常 适 于 考 研 的 学 生 广 大 计 算 机 专 业 人 员 以 及 自 学 人 员 参 考 阅 读 图 书 在 版 编 目 (CIP) 数 据 操 作 系 统 / 戴 仕 明, 姚 昌 顺 主 编. 北 京 : 科 学 出 版 社,2011 ISBN Ⅰ. 1 操 Ⅱ. 1 戴 2 姚 Ⅲ. 1 操 作 系 统 - 研 究 生 - 入 学 考 试 - 自 学 参 考 资 料 Ⅳ. 1TP316 中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2011) 第 号 责 任 编 辑 : 赵 丽 欣 郭 丽 娜 / 责 任 校 对 : 刘 玉 靖 责 任 印 制 : 吕 春 珉 / 封 面 设 计 : 东 方 人 华 平 面 设 计 部 印 刷 科 学 出 版 社 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销 * 2011 年 5 月 第 一 版 开 本 : / 年 5 月 第 一 次 印 刷 印 张 :25 印 数 : 字 数 : 定 价 :42.00 元 ( 如 有 印 装 质 量 问 题, 我 社 负 责 调 换 ) 销 售 部 电 话 编 辑 部 电 话 版 权 所 有, 侵 权 必 究 举 报 电 话 : ; ; 科 学 出 版 社

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5 前 言 为 适 应 高 等 院 校 应 用 型 人 才 培 养 迅 速 发 展 的 趋 势 和 学 生 考 研 的 迫 切 需 求, 本 着 厚 基 础 重 能 力 求 创 新 的 总 体 思 想, 培 养 以 解 决 实 际 问 题 为 导 向 的 具 备 举 一 反 三 能 力 的 应 用 型 人 才, 满 足 当 前 教 育 改 革 的 迫 切 需 求, 我 们 编 写 了 本 书 1. 关 于 操 作 系 统 操 作 系 统 (Operating System,OS) 是 最 重 要 的 计 算 机 系 统 软 件, 同 时 也 是 计 算 机 科 学 领 域 最 活 跃 的 学 科 之 一, 其 发 展 极 为 迅 速 操 作 系 统 既 是 管 理 计 算 机 硬 件 与 软 件 资 源 的 程 序, 也 是 计 算 机 系 统 的 内 核 与 基 石 它 大 致 包 括 5 个 方 面 的 管 理 功 能 : 进 程 与 处 理 机 管 理 作 业 管 理 存 储 管 理 设 备 管 理 文 件 管 理 目 前 微 机 上 常 见 的 操 作 系 统 有 DOS OS/2 UNIX XENIX LINUX Windows Netware 等 2. 本 书 阅 读 指 南 全 书 共 分 9 章, 主 要 内 容 如 下 第 1 章 介 绍 了 操 作 系 统 的 发 展 过 程 基 本 特 性 功 能 及 结 构 设 计 第 2 章 介 绍 了 进 程 管 理, 包 括 进 程 与 线 程 的 基 本 概 念 进 程 的 控 制 同 步 通 信 等 问 题 第 3 章 介 绍 了 进 程 管 理 中 的 处 理 机 调 度 与 死 锁, 涉 及 处 理 机 调 度 的 概 念 调 度 算 法 及 多 处 理 机 系 统 的 调 度 问 题, 同 时 也 介 绍 了 死 锁 的 概 念 成 因 预 防 及 其 检 测 方 法 第 4 章 介 绍 了 存 储 器 管 理, 涉 及 程 序 的 装 入 和 链 接, 程 序 在 内 存 中 的 分 配 方 式 等 问 题 第 5 章 介 绍 了 设 备 管 理, 主 要 涉 及 I/O 系 统 的 分 类 及 控 制 方 式 设 备 分 配 处 理 算 法 和 磁 盘 存 储 器 的 管 理 等 问 题 第 6 章 介 绍 了 文 件 管 理, 主 要 涉 及 文 件 及 文 件 系 统 的 概 念 逻 辑 结 构, 在 外 存 的 分 配 方 式 及 文 件 的 共 享 与 保 护 机 制 和 目 录 管 理 等 问 题 第 7 章 介 绍 了 操 作 系 统 的 接 口, 主 要 包 括 联 机 命 令 接 口 系 统 调 用 和 图 形 化 用 户 界 面 接 口 第 8 章 介 绍 了 网 络 操 作 系 统 网 络 操 作 系 统 提 供 的 功 能 和 服 务 第 9 章 介 绍 了 一 个 操 作 系 统 的 实 例 UNIX 系 统 V 的 内 核 结 构 3. 本 书 特 色 与 优 点 科 学 出 版 社 (1) 结 构 清 晰, 知 识 完 整 内 容 详 实 系 统 性 强, 依 据 高 校 教 学 大 纲 组 织 内 容, 同 时 覆 盖 最 新 版 本 的 所 有 知 识 点, 并 将 实 际 经 验 融 入 基 本 理 论 之 中 (2) 学 以 致 用, 注 重 能 力 以 基 础 理 论 实 用 技 术 学 习 加 油 站 为 主 线 编 写, 每 一

6 ii 操 作 系 统 章 都 设 置 考 研 真 题 解 析, 以 便 于 读 者 掌 握 本 章 的 重 点 及 提 高 解 决 实 际 问 题 的 能 力 (3) 示 例 丰 富, 实 用 性 强 示 例 丰 富, 步 骤 明 确, 讲 解 细 致, 突 出 可 操 作 性 和 实 用 性 4. 本 书 读 者 定 位 本 书 既 可 作 为 大 专 院 校 的 教 材, 也 可 作 为 计 算 机 专 业 考 研 学 生 的 参 考 教 程 此 外, 本 书 也 非 常 适 于 计 算 机 领 域 的 教 师 研 究 人 员 以 及 自 学 人 员 参 考 阅 读 本 书 由 戴 仕 明 姚 昌 顺 任 主 编, 姜 华 张 希 伟 任 副 主 编, 郑 尚 志 梁 宝 华 周 进 钱 进 参 编, 全 书 框 架 结 构 由 何 光 明 拟 定 邵 世 智 云 邈 王 珊 珊 王 程 凌 史 春 联 赵 传 申 吴 婷 等 同 志 对 本 书 的 编 写 给 予 了 极 大 的 关 心 和 帮 助, 在 此 向 他 们 表 示 真 诚 的 感 谢 限 于 作 者 水 平, 书 中 难 免 存 在 不 妥 之 处, 恳 请 广 大 读 者 批 评 指 正

7 目 录 前 言 第 1 章 操 作 系 统 引 论 操 作 系 统 的 目 标 和 作 用 操 作 系 统 的 目 标 操 作 系 统 的 作 用 推 动 操 作 系 统 发 展 的 主 要 动 力 操 作 系 统 的 发 展 过 程 无 操 作 系 统 的 计 算 机 系 统 单 道 批 处 理 系 统 多 道 批 处 理 系 统 分 时 系 统 实 时 系 统 操 作 系 统 的 基 本 特 性 并 发 共 享 虚 拟 异 步 操 作 系 统 的 主 要 功 能 处 理 机 管 理 功 能 存 储 器 管 理 功 能 设 备 管 理 功 能 文 件 管 理 功 能 用 户 接 口 操 作 系 统 的 结 构 设 计 18 科 学 出 版 社 软 件 工 程 的 基 本 概 念 传 统 的 操 作 系 统 结 构 微 内 核 操 作 系 统 结 构 小 结 学 习 加 油 站 答 疑 解 惑 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 28 第 2 章 进 程 管 理 进 程 的 基 本 概 念 31

8 iv 操 作 系 统 程 序 的 顺 序 执 行 及 其 特 征 前 趋 图 程 序 的 并 发 执 行 及 其 特 征 进 程 的 特 征 与 状 态 进 程 控 制 块 进 程 控 制 进 程 的 创 建 进 程 的 终 止 进 程 的 阻 塞 与 唤 醒 进 程 的 挂 起 与 激 活 进 程 同 步 进 程 同 步 的 基 本 概 念 信 号 量 机 制 信 号 量 的 应 用 经 典 进 程 的 同 步 问 题 生 产 者 - 消 费 者 问 题 哲 学 家 进 餐 问 题 读 者 - 写 者 问 题 管 程 机 制 管 程 的 基 本 概 念 利 用 管 程 解 决 生 产 者 - 消 费 者 问 题 进 程 通 信 进 程 通 信 的 类 型 消 息 传 递 通 信 的 实 现 方 法 消 息 传 递 系 统 实 现 中 的 若 干 问 题 消 息 缓 冲 队 列 通 信 机 制 线 程 线 程 的 基 本 概 念 线 程 间 的 同 步 和 通 信 内 核 支 持 线 程 和 用 户 级 线 程 线 程 控 制 小 结 学 习 加 油 站 答 疑 解 惑 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 82 第 3 章 处 理 机 调 度 与 死 锁 处 理 机 调 度 的 基 本 概 念 86

9 目 录 v 高 级 中 级 和 低 级 调 度 调 度 队 列 模 型 选 择 调 度 方 式 和 调 度 算 法 的 若 干 准 则 调 度 算 法 先 来 先 服 务 和 短 作 业 ( 进 程 ) 优 先 调 度 算 法 高 优 先 权 优 先 调 度 算 法 基 于 时 间 片 的 轮 转 调 度 算 法 实 时 调 度 实 现 实 时 调 度 的 基 本 条 件 实 时 调 度 算 法 的 分 类 常 用 的 几 种 实 时 调 度 算 法 多 处 理 机 系 统 中 的 调 度 多 处 理 器 系 统 的 类 型 进 程 分 配 方 式 进 程 ( 线 程 ) 调 度 方 式 产 生 死 锁 的 原 因 和 必 要 条 件 产 生 死 锁 的 原 因 产 生 死 锁 的 必 要 条 件 处 理 死 锁 的 基 本 方 法 预 防 死 锁 的 方 法 预 防 死 锁 系 统 安 全 状 态 利 用 银 行 家 算 法 避 免 死 锁 死 锁 的 检 测 与 解 除 死 锁 的 检 测 死 锁 的 解 除 小 结 学 习 加 油 站 116 科 学 出 版 社 答 疑 解 惑 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 127 第 4 章 存 储 器 管 理 程 序 的 装 入 和 链 接 程 序 的 装 入 程 序 的 链 接 连 续 分 配 方 式 单 一 连 续 分 配 固 定 分 区 分 配 134

10 vi 操 作 系 统 动 态 分 区 分 配 动 态 重 定 位 分 区 分 配 对 换 基 本 分 页 存 储 管 理 方 式 页 面 与 页 表 地 址 变 换 机 构 两 级 和 多 级 页 表 基 本 分 段 存 储 管 理 方 式 分 段 存 储 管 理 方 式 的 引 入 分 段 系 统 的 基 本 原 理 信 息 共 享 段 页 式 存 储 管 理 方 式 虚 拟 存 储 器 的 基 本 概 念 虚 拟 存 储 器 的 引 入 虚 拟 存 储 器 的 实 现 方 法 虚 拟 存 储 器 的 特 征 请 求 分 页 存 储 管 理 方 式 请 求 分 页 中 的 硬 件 支 持 内 存 分 配 策 略 和 分 配 算 法 调 页 策 略 页 面 置 换 算 法 最 佳 置 换 算 法 和 先 进 先 出 置 换 算 法 最 近 最 久 未 使 用 (LRU) 置 换 算 法 Clock 置 换 算 法 请 求 分 段 存 储 管 理 方 式 请 求 分 段 中 的 硬 件 支 持 分 段 的 共 享 与 保 护 小 结 学 习 加 油 站 答 疑 解 惑 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 181 第 5 章 设 备 管 理 I/O 系 统 I/O 设 备 设 备 控 制 器 I/O 通 道 总 线 系 统 193

11 目 录 vii 5.2 I/O 控 制 方 式 程 序 I/O 方 式 中 断 驱 动 I/O 控 制 方 式 直 接 存 储 器 访 问 I/O 控 制 方 式 I/O 通 道 控 制 方 式 缓 冲 管 理 缓 冲 的 引 入 单 缓 冲 和 双 缓 冲 循 环 缓 冲 缓 冲 池 (Buffer Pool) 设 备 分 配 设 备 分 配 中 的 数 据 结 构 设 备 分 配 时 应 考 虑 的 因 素 设 备 独 立 性 独 占 设 备 的 分 配 程 序 SPOOLing 技 术 设 备 处 理 设 备 驱 动 程 序 的 功 能 和 特 点 设 备 驱 动 程 序 的 处 理 过 程 中 断 处 理 程 序 的 处 理 过 程 磁 盘 存 储 器 管 理 磁 盘 性 能 简 述 磁 盘 调 度 磁 盘 高 速 缓 存 (Disk Cache) 提 高 磁 盘 I/O 速 度 的 其 他 方 法 廉 价 磁 盘 冗 余 阵 列 小 结 学 习 加 油 站 答 疑 解 惑 224 科 学 出 版 社 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 230 第 6 章 文 件 管 理 文 件 和 文 件 系 统 数 据 项 记 录 和 文 件 文 件 类 型 和 文 件 系 统 模 型 文 件 操 作 文 件 的 逻 辑 结 构 文 件 逻 辑 结 构 的 类 型 顺 序 文 件 240

12 viii 操 作 系 统 索 引 文 件 索 引 顺 序 文 件 直 接 文 件 和 哈 希 文 件 外 存 分 配 方 式 连 续 分 配 链 接 分 配 索 引 分 配 目 录 管 理 文 件 控 制 块 和 索 引 结 点 目 录 结 构 目 录 查 询 技 术 文 件 存 储 空 间 的 管 理 空 闲 表 法 和 空 闲 链 表 法 位 示 图 法 成 组 链 接 法 文 件 共 享 与 文 件 保 护 基 于 索 引 结 点 的 共 享 方 式 利 用 符 号 链 实 现 文 件 共 享 磁 盘 容 错 技 术 数 据 一 致 性 控 制 事 务 检 查 点 并 发 控 制 重 复 数 据 的 数 据 一 致 性 问 题 小 结 学 习 加 油 站 答 疑 解 惑 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 278 第 7 章 操 作 系 统 的 接 口 联 机 命 令 接 口 联 机 命 令 的 类 型 键 盘 终 端 处 理 程 序 命 令 解 释 程 序 Shell 命 令 语 言 简 单 命 令 重 定 向 与 管 道 命 令 通 信 命 令 后 台 命 令 292

13 目 录 ix 7.3 系 统 调 用 系 统 调 用 的 基 本 概 念 系 统 调 用 的 类 型 系 统 调 用 的 实 现 小 结 习 题 297 第 8 章 网 络 操 作 系 统 计 算 机 网 络 概 述 计 算 机 网 络 的 拓 扑 结 构 计 算 机 广 域 网 络 计 算 机 局 域 网 络 开 放 系 统 互 连 参 考 模 型 客 户 / 服 务 器 模 式 客 户 / 服 务 器 模 式 的 形 成 及 其 优 点 两 层 结 构 的 客 户 / 服 务 器 模 式 三 层 结 构 的 客 户 / 服 务 器 模 式 的 引 入 两 层 客 户 / 服 务 器 与 三 层 客 户 / 服 务 器 的 比 较 网 络 操 作 系 统 的 功 能 数 据 通 信 功 能 资 源 共 享 功 能 网 络 管 理 功 能 应 用 互 操 作 功 能 网 络 操 作 系 统 提 供 的 服 务 电 子 邮 件 服 务 文 件 传 输 服 务 目 录 服 务 支 持 Internet 与 Intranet 的 功 能 和 服 务 Internet 简 介 Internet 提 供 的 信 息 服 务 323 科 学 出 版 社 Intranet 及 其 特 征 Windows NT Windows NT 的 发 展 过 程 Windows NT 的 优 良 性 能 网 络 文 件 / 打 印 服 务 目 录 服 务 数 据 安 全 管 理 小 结 习 题 334 第 9 章 UNIX 系 统 内 核 结 构 UNIX 系 统 概 述 335

14 x 操 作 系 统 UNIX 系 统 的 发 展 史 UNIX 系 统 的 特 征 UNIX 系 统 的 内 核 结 构 进 程 的 描 述 和 控 制 进 程 控 制 块 PCB 进 程 状 态 与 进 程 映 像 进 程 控 制 进 程 调 度 与 切 换 进 程 的 同 步 与 通 信 sleep 与 wakeup 同 步 机 制 信 号 (Signal) 机 制 管 道 机 制 消 息 机 制 共 享 存 储 区 机 制 信 号 量 集 机 制 存 储 器 管 理 请 求 调 页 管 理 的 数 据 结 构 换 页 进 程 请 求 调 页 设 备 管 理 字 符 设 备 缓 冲 区 管 理 块 设 备 缓 冲 区 管 理 内 核 与 驱 动 程 序 接 口 磁 盘 驱 动 程 序 磁 盘 读 写 程 序 文 件 管 理 UNIX 文 件 系 统 概 述 文 件 的 物 理 结 构 索 引 结 点 的 管 理 空 闲 磁 盘 空 间 的 管 理 文 件 表 的 管 理 目 录 管 理 小 结 学 习 加 油 站 答 疑 解 惑 典 型 例 题 与 考 研 真 题 解 析 综 合 题 详 解 习 题 383 参 考 文 献 386

15 第 1 章 操 作 系 统 引 论 计 算 机 系 统 由 硬 件 和 软 件 两 部 分 组 成, 操 作 系 统 是 配 置 在 硬 件 上 的 第 一 层 软 件, 在 计 算 机 系 统 中 占 据 重 要 的 地 位, 而 其 他 诸 如 汇 编 程 序 编 译 程 序 和 数 据 库 管 理 系 统 等 系 统 软 件, 以 及 大 量 的 应 用 软 件, 都 依 赖 于 操 作 系 统 的 支 持 因 此, 操 作 系 统 已 成 为 现 代 计 算 机 系 统 中 必 须 配 置 的 软 件 考 研 大 纲 (1) 操 作 系 统 的 概 念 特 征 功 能 和 提 供 的 服 务 (2) 操 作 系 统 的 发 展 与 分 类 (3) 操 作 系 统 的 运 行 环 境 1.1 操 作 系 统 的 目 标 和 作 用 在 计 算 机 系 统 上 配 置 操 作 系 统 (Operating System,OS) 的 主 要 目 标, 与 计 算 机 系 统 的 规 模 和 操 作 系 统 的 应 用 环 境 有 关 通 常, 对 于 配 置 在 大 中 型 计 算 机 系 统 中 的 操 作 系 统, 都 有 着 较 高 的 要 求, 相 应 地, 其 操 作 系 统 就 具 有 较 强 的 功 能 ; 而 对 应 用 于 实 时 工 业 控 制 环 境 下 的 操 作 系 统, 则 要 求 其 具 有 实 时 性 和 高 度 的 可 靠 性 操 作 系 统 的 目 标 目 前, 存 在 着 多 种 类 型 的 操 作 系 统, 不 同 类 型 的 操 作 系 统 其 目 标 各 有 所 侧 重 通 常 在 计 算 机 硬 件 上 配 置 的 操 作 系 统, 其 目 标 有 以 下 几 点 1. 方 便 性 配 置 操 作 系 统 后 可 使 计 算 机 系 统 更 方 便 使 用 一 个 未 配 置 操 作 系 统 的 计 算 机 系 统 是 极 难 使 用 的, 因 为 计 算 机 硬 件 只 能 识 别 0 和 1 这 样 的 机 器 代 码 而 如 果 配 置 了 操 作 系 统, 用 户 就 可 以 通 过 操 作 系 统 提 供 的 各 种 命 令 来 使 用 计 算 机 系 统 2. 有 效 性 科 学 出 版 社 在 未 配 置 操 作 系 统 的 计 算 机 中, 诸 如 CPU I/O 设 备 等 各 种 资 源 会 因 为 经 常 空 闲 而 得 不 到 充 分 利 用 ; 内 外 存 中 所 存 放 的 数 据 由 于 无 序 而 浪 费 存 储 空 间 配 置 了 操 作 系 统 后, CPU I/O 设 备 能 保 持 忙 碌 状 态 而 得 到 有 效 利 用, 而 且 内 外 存 的 数 据 因 有 序 存 储 节 约 了 存 储 空 间

16 2 操 作 系 统 3. 可 扩 充 性 随 着 超 大 规 模 集 成 电 路 (Very Large Scale Integrated Ciruits,VLSI) 技 术 的 迅 速 发 展, 计 算 机 硬 件 和 体 系 结 构 也 得 到 迅 速 发 展, 它 们 对 操 作 系 统 提 出 了 更 高 的 功 能 和 性 能 要 求 此 外, 计 算 机 网 络, 特 别 是 Internet 的 发 展, 也 对 操 作 系 统 提 出 了 新 的 要 求 因 此, 操 作 系 统 必 须 具 有 更 好 的 可 扩 充 性, 方 能 适 应 发 展 的 要 求 4. 开 放 性 20 世 纪 80 年 代 以 来, 由 于 计 算 机 网 络 的 发 展, 尤 其 是 局 域 网 (Local Area Network, LAN) 的 迅 速 发 展, 使 计 算 机 操 作 系 统 的 应 用 环 境 已 逐 步 由 单 机 环 境 转 向 网 络 环 境 为 使 来 自 不 同 厂 家 的 计 算 机 和 设 备 能 通 过 网 络 加 以 集 成 化, 并 能 正 确 有 效 地 协 同 工 作, 实 现 应 用 的 可 移 植 性 和 互 操 作 性, 必 须 具 有 统 一 的 开 放 环 境, 进 而 要 求 操 作 系 统 具 有 开 放 性 操 作 系 统 的 作 用 可 以 从 不 同 的 角 度 来 观 察 操 作 系 统 的 作 用 从 一 般 用 户 的 角 度, 可 以 把 操 作 系 统 看 成 是 用 户 与 计 算 机 硬 件 系 统 之 间 的 接 口 ; 从 资 源 管 理 的 角 度, 可 以 把 操 作 系 统 视 为 计 算 机 系 统 的 资 源 管 理 者 1. 操 作 系 统 作 为 用 户 与 计 算 机 硬 件 系 统 之 间 的 接 口 操 作 系 统 作 为 用 户 与 计 算 机 硬 件 系 统 之 间 接 口 的 含 义 是, 操 作 系 统 处 于 用 户 与 计 算 机 硬 件 系 统 之 间, 用 户 通 过 操 作 系 统 来 使 用 计 算 机 系 统 或 者 说, 用 户 在 操 作 系 统 的 帮 助 下, 能 够 方 便 快 捷 安 全 可 靠 地 操 纵 计 算 机 硬 件 和 运 行 自 己 的 程 序 应 注 意, 操 作 系 统 是 一 个 系 统 软 件, 因 而 这 种 接 口 是 软 件 接 口 图 1-1 是 操 作 系 统 作 为 接 口 的 示 意 图 由 图 可 看 出, 用 户 可 通 过 以 下 三 种 方 式 使 用 计 算 机 (1) 命 令 方 式 操 作 系 统 提 供 了 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 (2) 系 统 调 用 方 式 操 作 系 统 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 系 统 调 用 来 操 纵 计 算 机 (3) 图 标 和 窗 口 方 式 用 户 通 过 屏 幕 上 的 图 标 和 窗 口 来 操 纵 计 算 机 系 统 和 运 行 自 己 的 程 序 图 1-1 操 作 系 统 作 为 接 口 的 示 意 图

17 第 1 章 操 作 系 统 引 论 3 2. 操 作 系 统 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 归 纳 起 来 可 将 资 源 分 为 四 类 : 处 理 器 存 储 器 I/O 设 备 以 及 信 息 ( 数 据 和 程 序 ) 相 应 地, 操 作 系 统 的 主 要 功 能 也 正 是 针 对 这 四 类 资 源 进 行 有 效 的 管 理, 即 : 处 理 机 管 理, 用 于 分 配 和 控 制 处 理 机 ; 存 储 器 管 理, 主 要 负 责 内 存 的 分 配 与 回 收 ;I/O 设 备 管 理, 负 责 I/O 设 备 的 分 配 与 操 纵 ; 文 件 管 理, 负 责 文 件 的 存 取 共 享 和 保 护 可 见, 操 作 系 统 的 确 是 计 算 机 系 统 资 源 的 管 理 者 事 实 上, 当 今 世 界 上 广 为 流 行 的 一 个 关 于 操 作 系 统 作 用 的 观 点, 正 是 把 操 作 系 统 作 为 计 算 机 系 统 的 资 源 管 理 者 3. 操 作 系 统 用 作 扩 充 机 器 对 于 一 台 完 全 无 软 件 的 计 算 机 系 统 ( 即 裸 机 ), 即 使 其 功 能 再 强, 也 必 定 是 难 于 使 用 的 如 果 我 们 在 裸 机 上 覆 盖 上 一 层 I/O 设 备 管 理 软 件, 用 户 便 可 利 用 它 所 提 供 的 I/O 命 令, 来 进 行 数 据 输 入 和 打 印 输 出 此 时 用 户 所 看 到 的 机 器, 将 是 一 台 比 裸 机 功 能 更 强 使 用 更 方 便 的 机 器 通 常 把 覆 盖 了 软 件 的 机 器 称 为 扩 充 机 器 或 虚 机 器 如 果 我 们 又 在 第 一 层 软 件 上 再 覆 盖 上 一 层 文 件 管 理 软 件, 则 用 户 可 利 用 该 软 件 提 供 的 文 件 存 取 命 令 来 进 行 文 件 的 存 取 此 时, 用 户 所 看 到 的 是 一 台 功 能 更 强 的 虚 机 器 如 果 我 们 又 在 文 件 管 理 软 件 上 再 覆 盖 一 层 面 向 用 户 的 窗 口 软 件, 则 用 户 便 可 在 窗 口 环 境 下 方 便 地 使 用 计 算 机, 形 成 一 台 功 能 更 强 的 虚 机 器 由 此 可 知, 每 当 人 们 在 计 算 机 系 统 上 覆 盖 一 层 软 件 后, 系 统 的 功 能 便 增 强 一 级 由 于 操 作 系 统 本 身 包 含 了 若 干 个 层 次, 因 此 当 在 裸 机 上 覆 盖 操 作 系 统 后, 便 可 获 得 一 套 功 能 显 著 增 强 使 用 极 为 方 便 的 多 层 扩 充 机 器 或 多 层 虚 拟 机 推 动 操 作 系 统 发 展 的 主 要 动 力 在 操 作 系 统 出 现 后 的 短 短 40 年 中, 操 作 系 统 取 得 了 重 大 的 发 展, 其 主 要 动 力 可 归 结 为 以 下 四 个 方 面 1. 计 算 机 资 源 利 用 率 的 不 断 提 高 在 计 算 机 发 展 的 初 期, 计 算 机 系 统 特 别 昂 贵, 人 们 必 须 千 方 百 计 地 提 高 计 算 机 系 统 各 种 资 源 的 利 用 率, 这 成 为 最 初 发 展 的 动 力 由 此 形 成 了 能 自 动 地 对 一 批 作 业 进 行 处 理 的 批 处 理 系 统 2. 方 便 用 户 当 资 源 利 用 率 不 高 的 问 题 得 到 解 决 后, 用 户 在 上 机 调 试 程 序 时 的 不 方 便 性 便 成 为 主 要 矛 盾 于 是 人 们 又 开 始 想 方 设 法 改 善 用 户 上 机 调 试 程 序 时 的 条 件, 这 又 成 为 继 续 推 动 操 作 系 统 发 展 的 主 要 动 力 随 之 形 成 了 分 时 系 统, 或 称 为 多 用 户 系 统 3. 器 件 的 不 断 更 新 换 代 科 学 出 版 社 计 算 机 器 件 的 不 断 更 新, 使 得 计 算 机 性 能 不 断 提 高, 规 模 急 剧 扩 大, 从 而 推 动 了 操

18 4 操 作 系 统 作 系 统 的 功 能 和 性 能 也 迅 速 增 强 和 提 高 例 如, 当 微 机 由 8 位 发 展 到 16 位, 继 而 32 位 时, 相 应 微 机 的 操 作 系 统 也 就 由 8 位 发 展 到 16 位, 继 而 32 位, 此 时 相 应 的 操 作 系 统 的 功 能 和 性 能 也 都 有 了 显 著 的 提 高 和 增 强 4. 计 算 机 体 系 结 构 的 不 断 发 展 计 算 机 体 系 结 构 的 不 断 发 展, 也 推 动 着 操 作 系 统 的 不 断 发 展 并 产 生 新 的 操 作 系 统 类 型 例 如, 当 计 算 机 由 单 处 理 机 系 统 发 展 为 多 处 理 机 系 统 时, 相 应 地, 操 作 系 统 也 就 由 单 处 理 机 操 作 系 统 发 展 为 多 处 理 机 操 作 系 统 1.2 操 作 系 统 的 发 展 过 程 操 作 系 统 的 形 成 迄 今 已 有 50 多 年 的 时 间 在 20 世 纪 50 年 代 中 期, 出 现 了 第 一 个 简 单 的 批 处 理 操 作 系 统 ; 到 20 世 纪 60 年 代 中 期 产 生 了 多 道 程 序 批 处 理 系 统, 不 久 又 出 现 了 基 于 多 道 程 序 的 分 时 系 统 ;20 世 纪 80 年 代 至 90 年 代 是 微 型 机 多 处 理 机 和 计 算 机 网 络 大 发 展 的 年 代, 同 时 也 是 微 机 操 作 系 统 多 处 理 机 操 作 系 统 网 络 操 作 系 统 的 形 成 和 发 展 的 年 代 无 操 作 系 统 的 计 算 机 系 统 1. 人 工 操 作 方 式 1945 年 诞 生 的 第 一 台 计 算 机 到 20 世 纪 50 年 代 中 期 的 计 算 机, 属 于 第 一 代 计 算 机, 这 时 还 未 出 现 操 作 系 统 这 时 的 计 算 机 操 作 是 由 用 户 ( 即 程 序 员 ) 采 用 人 工 操 作 方 式 直 接 使 用 计 算 机 硬 件 系 统, 即 由 程 序 员 将 事 先 已 穿 孔 ( 对 应 于 程 序 和 数 据 ) 的 纸 带 ( 或 卡 片 ) 装 入 纸 带 输 入 机 ( 或 卡 片 输 入 机 ), 再 启 动 它 们 将 程 序 和 数 据 输 入 计 算 机, 然 后 启 动 计 算 机 运 行 当 程 序 运 行 完 毕 并 取 走 计 算 结 果 后, 才 让 下 一 个 用 户 上 机 这 种 人 工 操 作 方 式 有 以 下 两 方 面 的 缺 点 (1) 用 户 独 占 全 机 此 时, 计 算 机 及 其 全 部 资 源 只 能 由 上 机 用 户 独 占 (2) CPU 等 待 人 工 操 作 当 用 户 进 行 装 带 ( 卡 ) 卸 带 ( 卡 ) 等 人 工 操 作 时,CPU 及 内 存 是 空 闲 的 可 见, 人 工 操 作 方 式 严 重 地 降 低 了 计 算 机 资 源 的 利 用 率, 即 所 谓 的 人 机 矛 盾 随 着 CPU 速 度 的 提 高 和 系 统 规 模 的 扩 大, 人 机 矛 盾 变 得 日 趋 严 重 此 外, 随 着 CPU 速 度 的 迅 速 提 高 I/O 设 备 的 速 度 提 高 缓 慢, 又 使 CPU 与 I/O 设 备 之 间 速 度 不 匹 配 的 矛 盾 更 加 突 出 为 了 缓 和 上 述 矛 盾, 曾 先 后 出 现 了 通 道 技 术 和 缓 冲 技 术, 但 都 未 很 好 地 解 决 上 述 问 题, 直 至 后 来 引 入 了 脱 机 输 入 / 输 出 技 术, 才 获 得 了 较 为 令 人 满 意 的 结 果 2. 脱 机 输 入 / 输 出 (I/O) 方 式 为 了 解 决 人 机 矛 盾 及 CPU 和 I/O 速 度 不 匹 配 的 矛 盾,20 世 纪 50 年 代 末 出 现 了 脱 机 I/O 技 术 该 技 术 是 指 事 先 将 装 有 用 户 程 序 和 数 据 的 纸 带 装 入 纸 带 输 入 机, 在 一 台 外 围 机 的 控 制 下, 把 纸 带 上 的 数 据 输 入 到 磁 带 上 当 CPU 需 要 这 些 数 据 时, 直 接 从 磁 带 机 高 速 调 入 内 存

19 第 1 章 操 作 系 统 引 论 5 类 似 地, 当 CPU 需 要 输 出 时, 可 由 CPU 直 接 把 数 据 从 内 存 输 出 到 磁 带 上, 然 后 再 在 外 围 机 的 控 制 下, 将 磁 带 上 的 结 果 通 过 相 应 的 I/O 设 备 输 出 图 1-2 表 示 脱 机 I/O 过 程 由 于 数 据 I/O 是 在 外 围 控 制 机 的 控 制 下 完 成 的, 是 在 脱 离 主 机 的 情 况 下 进 行 的, 故 称 为 脱 机 I/O 方 式 图 1-2 脱 机 I/O 过 程 示 意 图 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 装 带 卸 带 以 及 将 数 据 从 低 速 I/O 设 备 送 到 高 速 磁 带 上, 都 是 在 脱 机 情 况 下 完 成 的, 不 占 用 主 机 时 间, 缓 和 了 人 机 矛 盾 (2) 提 高 了 I/O 速 度 CPU 运 行 时 需 要 的 数 据, 是 直 接 从 高 速 的 磁 带 或 磁 盘 上 读 取 的, 不 再 从 低 速 I/O 设 备 上 输 入, 缓 和 了 CPU 和 I/O 设 备 速 度 不 匹 配 的 矛 盾, 进 一 步 减 少 了 CPU 的 空 闲 时 间 单 道 批 处 理 系 统 1. 单 道 批 处 理 系 统 (Simple Batch Processing System) 的 处 理 过 程 早 期 的 计 算 机 系 统 非 常 昂 贵, 为 了 能 充 分 地 利 用 它, 应 尽 量 让 系 统 连 续 运 行, 以 减 少 空 闲 时 间 为 此, 通 常 是 把 一 批 作 业 以 脱 机 方 式 输 入 到 磁 带 上, 并 在 系 统 中 配 上 监 督 (Monitor) 程 序, 在 它 的 控 制 下 这 批 作 业 能 一 个 接 一 个 连 续 处 理 其 自 动 处 理 过 程 如 图 1-3 所 示 科 学 出 版 社 图 1-3 单 道 批 处 理 系 统 的 处 理 流 程

20 6 操 作 系 统 由 上 所 述 不 难 看 出, 单 道 批 处 理 系 统 是 在 解 决 人 机 矛 盾 和 CPU 与 I/O 设 备 速 度 不 匹 配 的 矛 盾 的 过 程 中 形 成 的 2. 单 道 批 处 理 系 统 的 特 征 单 道 批 处 理 系 统 是 最 早 出 现 的 一 种 操 作 系 统 严 格 地 说, 它 只 能 算 作 是 操 作 系 统 的 前 身 而 并 非 是 现 在 人 们 所 理 解 的 操 作 系 统 尽 管 如 此, 该 系 统 比 起 人 工 操 作 方 式 的 系 统 已 有 很 大 进 步 该 系 统 的 主 要 特 征 如 下 (1) 自 动 性 磁 带 上 的 一 批 作 业 能 自 动 地 依 次 运 行, 无 需 人 工 干 预 (2) 顺 序 性 磁 带 上 的 各 道 作 业 是 顺 序 进 入 内 存 的, 其 完 成 顺 序 与 它 们 的 进 入 顺 序 在 正 常 情 况 下 应 完 全 相 同, 即 先 进 入 内 存 的 作 业 先 完 成 (3) 单 道 性 内 存 中 仅 有 一 道 程 序 运 行, 即 监 督 程 序 每 次 从 磁 带 上 只 调 入 一 道 程 序 进 入 内 存, 只 有 其 运 行 结 束 或 发 生 异 常 时, 才 换 入 其 后 继 程 序 进 入 内 存 运 行 多 道 批 处 理 系 统 1. 多 道 程 序 设 计 的 基 本 概 念 在 单 道 批 处 理 系 统 中, 内 存 中 仅 有 一 道 作 业, 它 无 法 充 分 利 用 系 统 中 的 所 有 资 源, 系 统 性 能 较 差 为 了 进 一 步 提 高 资 源 的 利 用 率 和 系 统 吞 吐 量, 在 20 世 纪 60 年 代 中 期 又 引 入 了 多 道 程 序 设 计 技 术, 由 此 形 成 了 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 具 体 地 说, 在 操 作 系 统 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 当 内 存 中 仅 有 一 道 程 序 时, 每 逢 该 程 序 在 运 行 中 发 出 I/O 请 求 后,CPU 空 闲, 必 须 在 其 I/O 完 成 后 才 继 续 运 行 ; 尤 其 因 I/O 设 备 的 低 速 性, 更 使 CPU 的 利 用 率 显 著 降 低 在 引 入 多 道 程 序 设 计 技 术 后, 由 于 同 时 在 内 存 中 装 有 若 干 道 程 序, 并 使 它 们 交 替 地 运 行, 这 样, 当 正 在 运 行 的 程 序 因 I/O 而 暂 停 执 行 时, 系 统 可 调 度 另 一 道 程 序 运 行, 从 而 保 证 了 CPU 处 于 忙 碌 状 态 (2) 可 提 高 内 存 和 I/O 设 备 利 用 率 为 了 能 运 行 较 大 的 作 业, 通 常 内 存 都 具 有 较 大 容 量, 但 由 于 80% 以 上 的 作 业 都 属 于 中 小 型 作 业, 因 此 在 单 道 程 序 环 境 下, 会 造 成 内 存 的 浪 费 类 似 地, 对 于 系 统 中 所 配 置 的 多 种 类 型 的 I/O 设 备, 在 单 道 程 序 环 境 下 也 不 能 充 分 利 用 如 果 允 许 在 内 存 中 装 入 多 道 程 序, 并 允 许 它 们 并 发 执 行, 则 无 疑 会 大 大 提 高 内 存 和 I/O 设 备 的 利 用 率 (3) 增 加 系 统 吞 吐 量 在 保 持 CPU I/O 设 备 不 断 忙 碌 的 同 时, 会 大 幅 度 地 提 高 系 统 的 吞 吐 量, 从 而 降 低 作 业 加 工 所 需 的 费 用 2. 多 道 批 处 理 系 统 的 特 征 (1) 多 道 性 在 内 存 中 可 同 时 驻 留 多 道 程 序, 并 允 许 它 们 并 发 执 行

21 第 1 章 操 作 系 统 引 论 7 (2) 无 序 性 多 个 作 业 完 成 的 先 后 顺 序 与 它 们 进 入 的 顺 序 之 间 并 无 严 格 的 对 应 关 系 (3) 调 度 性 作 业 从 提 交 给 系 统 开 始 直 至 完 成, 需 要 经 过 两 次 调 度 : 首 先 是 作 业 调 度, 即 按 一 定 的 作 业 调 度 算 法, 选 择 若 干 个 作 业 从 外 存 的 后 备 作 业 队 列 中 调 入 内 存 ; 其 次 是 进 程 调 度, 即 按 一 定 的 进 程 调 度 算 法, 从 已 在 内 存 的 作 业 中 选 择 一 个 作 业, 将 处 理 器 分 配 给 它, 使 之 执 行 3. 多 道 批 处 理 系 统 的 优 缺 点 (1) 资 源 利 用 率 高 由 于 内 存 中 驻 留 了 多 道 程 序, 它 们 可 共 享 资 源, 从 而 使 资 源 利 用 率 提 高 (2) 系 统 吞 吐 量 大 系 统 的 吞 吐 量 是 指 系 统 在 单 位 时 间 完 成 的 总 工 作 量 提 高 系 统 吞 吐 量 的 原 因 有 二 : 第 一,CPU 和 其 他 资 源 保 持 忙 碌 状 态 ; 第 二, 仅 当 作 业 完 成 或 运 行 不 下 去 时 才 进 行 切 换, 系 统 开 销 小 (3) 平 均 周 转 时 间 长 作 业 的 周 转 时 间 是 指 作 业 从 进 入 系 统 开 始, 直 至 其 完 成 并 退 出 系 统 位 置 所 经 历 的 时 间 在 批 处 理 系 统 中, 由 于 作 业 要 排 队 依 次 进 行 处 理, 因 而 周 转 时 间 较 长 (4) 无 交 互 能 力 用 户 一 旦 把 作 业 提 交 给 系 统 后, 直 至 作 业 完 成, 用 户 都 不 能 与 自 己 的 作 业 交 互, 这 对 修 改 和 调 试 程 序 极 为 不 便 4. 多 道 批 处 理 系 统 需 要 解 决 的 问 题 (1) 处 理 机 管 理 问 题 在 多 道 程 序 之 间, 应 如 何 分 配 被 它 们 共 享 的 处 理 机, 使 CPU 既 能 满 足 各 程 序 运 行 需 要, 又 能 提 高 其 利 用 率, 以 及 把 处 理 机 分 配 给 某 程 序 后 如 何 回 收 等 一 系 列 问 题 (2) 内 存 管 理 问 题 应 如 何 为 每 道 程 序 分 配 必 要 的 内 存 空 间, 使 它 们 各 得 其 所, 又 不 相 互 干 扰 等 问 题 (3) I/O 设 备 管 理 问 题 系 统 中 可 能 有 多 种 类 型 的 I/O 设 备 供 多 道 程 序 共 享, 应 如 何 分 配 这 些 I/O 设 备, 做 到 既 方 便 用 户 对 设 备 的 使 用, 又 能 提 高 设 备 的 利 用 率 (4) 文 件 管 理 问 题 在 现 代 计 算 机 系 统 中, 通 常 存 放 着 大 量 程 序 和 数 据 ( 以 文 件 形 式 存 放 ), 应 如 何 组 织 这 些 程 序 和 数 据, 才 能 使 它 们 既 方 便 用 户 使 用, 又 能 保 证 数 据 的 安 全 性 和 一 致 性 (5) 作 业 管 理 问 题 系 统 中 的 各 种 应 用 程 序, 有 的 属 于 计 算 型 的, 有 的 属 于 I/O 型 的, 有 些 作 业 既 重 要 又 紧 迫, 有 些 则 要 求 系 统 及 时 响 应, 这 时 应 解 决 如 何 组 织 这 些 作 业 的 问 题 为 此, 应 在 计 算 机 系 统 中 增 加 一 组 软 件, 用 以 对 上 述 问 题 进 行 妥 善 有 效 的 处 理 这 组 软 件 应 包 括 : 智 能 控 制 和 管 理 四 大 资 源 的 软 件, 合 理 地 对 各 类 作 业 进 行 调 度 的 软 件, 以 及 方 便 用 户 使 用 计 算 机 的 软 件 正 是 这 样 的 一 组 软 件 构 成 了 操 作 系 统 据 此, 操 作 系 统 可 以 定 义 为 一 组 控 制 和 管 理 计 算 机 软 硬 件 资 源, 合 理 地 对 各 类 作 业 进 行 调 度, 以 及 方 便 用 户 使 用 程 序 的 集 合 科 学 出 版 社

22 8 操 作 系 统 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 或 者 说, 分 时 系 统 是 为 了 满 足 用 户 需 求 所 形 成 的 一 种 新 型 操 作 系 统 它 与 多 道 批 处 理 系 统 之 间, 有 着 截 然 不 同 的 性 能 差 别 用 户 的 需 求 具 体 表 现 在 以 下 几 个 方 面 (1) 人 机 交 互 每 当 程 序 员 写 好 一 个 新 程 序 时, 都 需 要 上 机 调 试, 而 且 可 能 要 边 调 试 边 修 改, 即 希 望 能 进 行 人 机 交 互 (2) 共 享 主 机 在 20 世 纪 60 年 代, 计 算 机 非 常 昂 贵, 只 能 多 个 用 户 共 享 一 台 计 算 机, 但 用 户 在 使 用 这 样 的 机 器 时 希 望 像 独 占 计 算 机 一 样 使 用, 不 仅 可 随 时 与 之 进 行 交 互, 而 且 感 觉 不 到 其 他 用 户 在 使 用 该 计 算 机 (3) 便 于 用 户 上 机 在 多 道 批 处 理 系 统 中, 用 户 上 机 前 必 须 把 自 己 的 作 业 邮 寄 或 亲 自 送 到 机 房, 这 对 于 外 地 或 远 方 的 用 户 是 极 为 不 便 的 用 户 希 望 通 过 自 己 的 终 端 直 接 将 作 业 传 送 到 机 器 上 进 行 处 理, 并 对 自 己 的 作 业 进 行 控 制 由 上 所 述 不 难 得 知, 分 时 系 统 是 指 在 一 台 主 机 上 连 接 了 多 个 带 有 显 示 器 和 键 盘 的 终 端, 同 时 允 许 多 个 用 户 通 过 自 己 的 终 端, 以 交 互 方 式 使 用 计 算 机, 共 享 主 机 资 源 2. 分 时 系 统 实 现 中 的 关 键 问 题 实 现 分 时 系 统 中 最 关 键 的 问 题 是 如 何 使 用 户 能 与 自 己 的 作 业 进 行 交 互, 即 当 用 户 在 自 己 的 终 端 上 输 入 命 令 时, 系 统 应 能 及 时 接 收 并 及 时 处 理 该 命 令, 再 将 结 果 返 回 给 用 户 此 后, 用 户 可 继 续 输 入 下 一 条 命 令, 此 即 人 机 交 互 应 强 调 指 出, 即 使 有 多 个 用 户 同 时 通 过 自 己 的 键 盘 输 入 命 令, 系 统 也 应 能 全 部 及 时 地 接 收 并 处 理 (1) 及 时 接 收 及 时 接 收 用 户 输 入 的 命 令 或 数 据 并 不 困 难, 只 要 在 系 统 中 配 置 一 个 多 路 卡 其 作 用 是 使 计 算 机 能 同 时 接 收 多 个 客 户 端 输 入 的 数 据, 此 外, 还 需 为 每 个 终 端 配 置 一 个 缓 冲 区, 用 以 暂 存 用 户 的 数 据 或 命 令 (2) 及 时 处 理 人 机 交 互 的 关 键, 是 使 用 户 输 入 命 令 后, 能 及 时 控 制 自 己 作 业 的 运 行, 或 修 改 自 己 的 作 业 为 此, 各 个 用 户 的 作 业 都 须 在 内 存 中, 且 能 频 繁 地 获 得 处 理 机 而 运 行, 否 则, 用 户 输 入 的 命 令 将 无 法 作 用 到 自 己 的 作 业 上 因 此, 前 面 介 绍 的 批 处 理 系 统 是 无 法 实 现 人 机 交 互 的 由 此 可 见, 为 实 现 人 机 交 互, 必 须 彻 底 改 变 原 来 批 处 理 系 统 的 运 行 方 式 首 先, 用 户 作 业 不 能 先 进 入 磁 盘, 再 调 入 内 存 因 为 作 业 在 磁 盘 上 不 能 运 行, 自 然 无 法 与 用 户 实 现 交 互, 因 此, 作 业 应 该 直 接 进 入 内 存 其 次, 不 允 许 一 个 作 业 长 期 占 用 处 理 机, 直 至 运 行 结 束 或 出 现 异 常 时 才 调 度 其 他 作 业 于 是 规 定 每 个 作 业 只 运 行 一 个 很 短 的 时 间 ( 如 0.1 秒, 我 们 称 之 为 时 间 片 ), 然 后 暂 停 该 作 业 的 运 行, 并 立 即 调 度 下 一 个 程 序 运 行 如 果 在 不 长 的 时 间 ( 如 3 秒 ) 内, 能 使 所 有 用 户 的 作 业 都 执 行 一 次 ( 一 个 时 间 片 的 时 间 ), 便 可 实 现 每 个 用 户 都 能 及 时 与 自 己 的 作 业 进 行 交 互, 从 而 可 使 用 户 的 请 求 得 到 及 时 响 应

23 第 1 章 操 作 系 统 引 论 9 3. 分 时 系 统 的 特 征 (1) 多 路 性 允 许 一 台 主 机 同 时 连 接 多 台 联 机 终 端, 系 统 按 分 时 原 则 为 每 个 用 户 服 务 (2) 独 立 性 每 个 用 户 独 占 一 个 终 端, 彼 此 独 立 操 作, 互 不 干 扰, 因 此, 用 户 感 觉 就 像 是 他 一 人 独 占 主 机 (3) 及 时 性 用 户 的 请 求 能 在 极 短 的 时 间 内 得 到 响 应, 此 间 隔 时 间 是 以 人 们 能 接 受 的 等 待 时 间 来 确 定 的 (4) 交 互 性 用 户 可 以 通 过 终 端 与 系 统 进 行 广 泛 的 人 机 对 话 实 时 系 统 所 谓 实 时, 是 表 示 及 时, 而 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 时 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. 应 用 需 求 虽 然 多 道 批 处 理 和 分 时 系 统 已 经 能 获 得 较 为 令 人 满 意 的 资 源 利 用 率 和 响 应 时 间, 但 它 们 还 不 能 满 足 以 下 某 些 应 用 领 域 的 需 要 (1) 实 时 控 制 当 把 计 算 机 用 于 生 产 过 程 的 控 制, 以 形 成 以 计 算 机 为 中 心 的 控 制 系 统 时, 系 统 要 求 能 实 时 采 集 现 场 数 据, 并 对 采 集 的 现 场 数 据 进 行 及 时 处 理, 进 而 自 动 控 制 相 应 的 执 行 机 构, 使 某 些 参 数 ( 如 温 度 压 力 ) 能 按 预 定 的 规 律 变 化, 以 保 证 产 品 质 量 通 常 把 用 于 进 行 实 时 控 制 的 系 统 称 为 实 时 系 统 (2) 实 时 信 息 处 理 通 常, 人 们 把 用 于 对 信 息 进 行 实 时 处 理 的 系 统 称 为 实 时 信 息 处 理 系 统 该 系 统 由 一 台 主 机 连 接 成 百 上 千 台 终 端 组 成, 其 接 收 远 程 终 端 发 来 的 服 务 请 求, 对 信 息 进 行 检 索 和 处 理, 在 很 短 时 间 内 给 用 户 做 出 正 确 回 答 如 飞 机 或 火 车 的 订 票 系 统 和 情 报 检 索 系 统 等 2. 实 时 任 务 在 实 时 系 统 中 必 然 存 在 着 若 干 个 实 时 任 务, 这 些 任 务 通 常 与 某 个 ( 些 ) 外 部 设 备 相 关, 能 反 应 或 控 制 相 应 的 外 部 设 备, 因 为 带 有 某 种 程 度 的 紧 迫 性, 可 从 不 同 角 度 对 实 时 任 务 进 行 分 类 1) 按 任 务 执 行 时 是 否 呈 现 周 期 性 来 划 分 (1) 周 期 性 实 时 任 务 外 部 设 备 周 期 性 地 发 出 激 励 信 号 给 计 算 机, 要 求 它 按 指 定 周 期 循 环 执 行, 以 便 周 期 性 地 控 制 某 外 部 设 备 (2) 非 周 期 性 实 时 任 务 外 部 设 备 所 发 出 的 激 励 信 号 并 无 明 显 的 周 期 性, 但 都 必 须 联 系 着 一 个 截 止 时 间 (Deadline) 它 又 可 分 为 :1 开 始 截 止 时 间 任 务 在 某 时 间 以 前 必 须 开 始 执 行 ;2 完 成 截 止 时 间 任 务 在 某 时 间 以 前 必 须 完 成 2) 根 据 对 截 止 时 间 的 要 求 来 划 分 (1) 硬 实 时 任 务 (Hard Real-Time Task) 系 统 必 须 满 足 任 务 对 截 止 时 间 的 要 求, 否 则 可 能 出 现 难 以 预 测 的 结 果 科 学 出 版 社

24 10 操 作 系 统 (2) 软 实 时 任 务 (Soft Real-Time Task) 它 也 联 系 着 一 个 截 止 时 间, 但 并 不 严 格, 若 偶 尔 错 过 了 任 务 的 截 止 时 间, 对 系 统 产 生 的 影 响 也 不 会 太 大 3. 实 时 系 统 与 分 时 系 统 特 征 的 比 较 我 们 可 以 从 以 下 几 个 方 面 考 虑 分 时 系 统 和 实 时 系 统 的 差 别 实 时 系 统 分 为 实 时 信 息 系 统 和 实 时 控 制 系 统 两 种 (1) 实 时 信 息 处 理 系 统 与 分 时 系 统 一 样 都 能 为 多 个 用 户 服 务 系 统 按 分 时 原 则 为 多 个 终 端 用 户 服 务 ; 而 对 实 时 控 制 系 统, 则 表 现 为 经 常 对 多 路 现 场 信 息 进 行 采 集, 以 及 对 多 个 对 象 或 多 个 执 行 机 构 进 行 控 制 (2) 实 时 信 息 处 理 与 分 时 操 作 系 统 一 样, 每 个 用 户 各 占 一 个 终 端, 彼 此 独 立 操 作, 互 不 干 扰 ; 实 时 系 统 中 信 息 的 采 集 和 对 对 象 的 控 制 也 是 彼 此 互 不 干 扰 的 (3) 实 时 信 息 系 统 对 响 应 时 间 的 要 求 与 分 时 系 统 类 似, 都 是 以 人 所 能 接 受 的 等 待 时 间 来 确 定 的 ; 而 实 时 控 制 系 统 的 响 应 时 间, 则 是 以 控 制 对 象 所 能 接 受 的 延 迟 来 确 定 的 (4) 分 时 系 统 是 一 种 通 用 系 统, 主 要 用 于 运 行 终 端 用 户 程 序, 因 此 它 具 有 较 强 的 交 互 能 力 ; 而 实 时 操 作 系 统 虽 然 也 有 交 互 能 力, 但 不 及 前 者 (5) 分 时 系 统 要 求 系 统 可 靠, 相 比 之 下, 实 时 系 统 要 求 可 靠 性 更 高 1.3 操 作 系 统 的 基 本 特 性 前 面 介 绍 的 三 种 基 本 的 操 作 系 统, 虽 然 各 有 自 己 的 基 本 特 征, 但 它 们 也 都 具 有 并 发 共 享 虚 拟 和 异 步 这 四 个 基 本 特 征 并 发 并 行 性 和 并 发 性 (Concurrence) 是 两 个 既 相 似 又 有 区 别 的 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 在 多 道 程 序 环 境 下, 并 发 性 是 指 在 一 段 时 间 内, 宏 观 上 有 多 个 程 序 在 同 时 运 行, 但 在 单 处 理 机 系 统 中, 每 一 时 刻 却 仅 能 有 一 道 程 序 执 行, 故 微 观 上 这 些 程 序 只 能 是 分 时 地 交 替 执 行 如 果 在 计 算 机 系 统 中 有 多 个 处 理 机, 则 这 些 可 以 并 发 执 行 的 程 序 便 可 被 分 配 到 多 个 处 理 机 上, 实 现 并 行 执 行, 即 利 用 每 个 处 理 机 来 处 理 一 个 可 并 发 执 行 的 程 序, 这 样, 多 个 程 序 便 可 同 时 执 行 应 当 指 出, 通 常 的 程 序 是 静 态 实 体, 它 们 不 能 并 发 执 行 为 使 多 个 程 序 能 并 发 执 行, 系 统 必 须 分 别 为 每 个 程 序 建 立 进 程 简 单 地 说, 进 程 是 指 在 系 统 中 能 独 立 运 作 并 作 为 资 源 分 配 的 基 本 单 位, 它 是 由 一 组 机 器 指 令 数 据 和 堆 栈 等 组 成 的, 是 一 个 活 动 实 体 多 个 进 程 之 间 可 以 并 发 执 行 和 交 换 信 息 一 个 进 程 在 运 行 时 需 要 一 定 的 资 源, 如 CPU 存 储 空 间 及 I/O 设 备 等 在 操 作 系 统 中 引 入 进 程 的 目 的, 是 使 多 个 程 序 能 并 发 执 行 例 如, 引 入 进 程 后, 若 分 别 为 计 算 程 序 和 I/O 程 序 各 建 立 一 个 进 程, 则 这 两 个 进 程 可 并 发 执 行 由 于 在 系 统 中 具 备 使 计 算 程 序 和 I/O 程 序 同 时 运 行 的 硬 件 条 件, 因 而 可 实 现 并 行 工 作, 提 高 系 统 资 源 利 用 率 和 系 统 吞 吐 量, 改 善 系 统 性 能

25 第 1 章 操 作 系 统 引 论 11 长 期 以 来, 进 程 都 是 操 作 系 统 中 可 以 拥 有 资 源 和 独 立 运 行 的 基 本 单 位 直 到 20 世 纪 80 年 代 中 期, 人 们 才 提 出 了 比 进 程 更 小 的 单 位 线 程 (Threads) 通 常 在 一 个 进 程 中 包 含 了 若 干 个 线 程 在 引 入 线 程 的 操 作 系 统 中, 通 常 都 是 把 进 程 作 为 资 源 分 配 的 基 本 单 位, 而 把 线 程 作 为 独 立 运 行 的 基 本 单 位 由 于 线 程 比 进 程 小, 基 本 不 拥 有 系 统 资 源, 故 而 运 行 起 来 更 为 轻 松, 因 此 近 年 来 推 出 的 操 作 系 统 都 引 入 了 线 程 共 享 在 操 作 系 统 环 境 下, 所 谓 共 享 (Sharing) 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 由 于 资 源 属 性 的 不 同, 进 程 对 资 源 共 享 的 方 式 也 不 同, 目 前 主 要 有 以 下 两 种 资 源 共 享 方 式 1. 互 斥 共 享 方 式 系 统 中 的 某 些 资 源, 如 打 印 机 磁 带 机, 虽 然 它 们 可 以 提 供 给 多 个 进 程 ( 线 程 ) 使 用, 但 为 使 所 打 印 或 记 录 的 结 果 不 致 造 成 混 淆, 规 定 在 一 段 时 间 内 只 允 许 一 个 进 程 ( 线 程 ) 访 问 该 资 源 为 此, 当 一 个 进 程 A 要 访 问 某 资 源 时, 必 须 先 提 出 请 求, 如 果 此 时 该 资 源 空 闲, 系 统 便 可 将 之 分 配 给 进 程 A 使 用, 此 后, 若 再 有 其 他 进 程 也 要 访 问 该 资 源 时 ( 只 要 A 未 用 完 ) 则 必 须 等 待 仅 当 A 进 程 访 问 完 并 释 放 该 资 源 后, 才 允 许 另 一 进 程 对 该 资 源 进 行 访 问 我 们 把 这 种 资 源 共 享 方 式 称 为 互 斥 式 共 享, 而 把 在 一 段 时 间 内 只 允 许 一 个 进 程 访 问 的 资 源 称 为 临 界 资 源 或 独 占 资 源 计 算 机 系 统 中 的 大 多 数 物 理 设 备, 以 及 某 些 软 件 中 所 用 的 栈 变 量 和 表 格, 都 属 于 临 界 资 源, 它 们 要 求 被 互 斥 地 共 享 2. 同 时 访 问 方 式 系 统 中 还 有 另 一 类 资 源, 允 许 在 一 段 时 间 内 由 多 个 进 程 同 时 对 它 们 进 行 访 问 这 里 所 谓 的 同 时 往 往 是 宏 观 上 的, 而 在 微 观 上, 这 些 进 程 可 能 是 交 替 地 对 该 资 源 进 行 访 问 典 型 的 可 供 多 个 进 程 同 时 访 问 的 资 源 是 磁 盘 设 备, 一 些 可 用 重 入 码 编 写 的 文 件, 也 可 以 被 同 时 共 享, 即 若 干 个 用 户 同 时 访 问 该 文 件 并 发 和 共 享 是 操 作 系 统 的 两 个 最 基 本 的 特 征, 它 们 又 是 互 为 存 在 的 条 件 一 方 面, 资 源 共 享 是 以 程 序 ( 进 程 ) 的 并 发 执 行 为 条 件 的, 若 系 统 不 允 许 程 序 并 发 执 行, 自 然 不 存 在 资 源 共 享 问 题 ; 另 一 方 面, 若 系 统 不 能 对 资 源 共 享 实 施 有 效 管 理, 协 调 好 诸 进 程 对 共 享 资 源 的 访 问, 也 必 然 影 响 到 程 序 并 发 执 行 的 程 度, 甚 至 根 本 无 法 并 发 执 行 虚 拟 科 学 出 版 社 操 作 系 统 中 所 谓 的 虚 拟 (Virtual), 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 物 理 实 体 ( 前 者 ) 是 实 的, 即 实 际 存 在 的 ; 而 后 者 是 虚 的, 是 用 户 感 觉 上 的 东 西 相 应 地, 用 于 实 现 虚 拟 的 技 术, 称 为 虚 拟 技 术 在 操 作 系 统 中 利 用 了 多 种 虚 拟 技 术, 分 别 用 来 实 现 虚 拟 处 理 机 虚 拟 内 存 虚 拟 外 部 设 备 和 虚 拟 信 道 等 在 虚 拟 处 理 机 技 术 中, 是 通 过 多 道 程 序 设 计 技 术, 让 多 道 程 序 并 发 执 行 的 方 法, 来 分 时 使 用 一 台 处 理 机 的 此 时, 虽 然 只 有 一 台 处 理 机, 但 它 能 同 时 为 多 个 用 户 服 务, 使 每 个 终 端 用 户 都 认 为 是 有 一 个 CPU 在 专 门 为 其 服 务 即 利 用 多 道 程 序 设 计 技 术, 把 一 台

26 12 操 作 系 统 物 理 上 的 CPU 虚 拟 为 多 台 逻 辑 上 的 CPU, 也 称 为 虚 拟 处 理 机, 我 们 把 用 户 所 感 觉 到 的 CPU 称 为 虚 拟 处 理 器 类 似 地, 可 以 通 过 虚 拟 存 储 器 技 术, 将 一 台 机 器 的 物 理 存 储 器 变 为 虚 拟 存 储 器, 以 便 从 逻 辑 上 来 扩 充 存 储 器 的 容 量 此 时, 虽 然 物 理 内 存 的 容 量 可 能 不 大 ( 如 32MB), 但 它 可 以 运 行 比 它 大 得 多 的 用 户 程 序 ( 如 128MB) 这 使 用 户 所 感 觉 到 的 内 存 容 量 比 实 际 内 存 容 量 大 得 多, 认 为 该 机 器 的 内 存 至 少 也 有 128MB 当 然 这 时 用 户 所 感 觉 到 的 内 存 容 量 是 虚 的 我 们 把 用 户 所 感 觉 到 的 存 储 器 称 为 虚 拟 存 储 器 我 们 还 可 以 通 过 虚 拟 设 备 技 术, 将 一 台 物 理 I/O 设 备 虚 拟 为 多 台 逻 辑 上 的 I/O 设 备, 并 允 许 每 个 用 户 占 用 一 台 逻 辑 上 的 I/O 设 备, 这 样 便 可 使 原 来 仅 允 许 在 一 段 时 间 内 由 一 个 用 户 访 问 的 设 备 ( 即 临 界 资 源 ), 变 为 在 一 段 时 间 内 允 许 多 个 用 户 同 时 访 问 的 共 享 设 备 例 如, 原 来 的 打 印 机 属 于 临 界 资 源, 而 通 过 虚 拟 设 备 技 术, 可 以 把 它 变 为 多 台 逻 辑 上 的 打 印 机, 供 多 个 用 户 同 时 打 印 此 外, 也 可 以 把 一 条 物 理 信 道 虚 拟 为 多 条 逻 辑 信 道 ( 虚 信 道 ) 在 操 作 系 统 中, 虚 拟 的 实 现 主 要 是 通 过 分 时 使 用 的 方 法 显 然, 如 果 n 是 某 物 理 设 备 所 对 应 的 虚 拟 的 逻 辑 设 备 数, 则 虚 拟 设 备 的 平 均 速 度 必 然 是 物 理 设 备 速 度 的 1/n 异 步 在 多 道 程 序 环 境 下, 允 许 多 个 进 程 并 发 执 行, 但 只 有 进 程 在 获 得 所 需 的 资 源 后 方 能 执 行 在 单 处 理 机 环 境 下, 由 于 系 统 中 只 有 一 个 处 理 机, 因 而 每 次 只 允 许 一 个 进 程 执 行, 其 余 进 程 只 能 等 待 当 正 在 执 行 的 进 程 提 出 某 种 资 源 要 求 时, 如 打 印 请 求, 而 此 时 打 印 机 正 在 为 其 他 某 进 程 打 印, 由 于 打 印 机 属 于 临 界 资 源, 因 此 正 在 执 行 的 进 程 必 须 等 待, 且 放 弃 处 理 机, 直 到 打 印 机 空 闲, 并 再 次 把 处 理 机 分 配 给 该 进 程 时, 该 进 程 方 能 继 续 执 行 可 见, 由 于 资 源 等 因 素 的 限 制, 使 进 程 的 执 行 通 常 都 不 是 一 气 呵 成, 而 是 以 停 停 走 走 的 方 式 运 行 内 存 中 的 每 个 进 程 在 何 时 能 获 得 处 理 机 运 行, 何 时 又 因 提 出 某 种 资 源 请 求 而 暂 停, 以 及 进 程 以 怎 样 的 速 度 向 前 推 进, 每 道 程 序 总 共 需 多 少 时 间 才 能 完 成 等, 都 是 不 可 预 知 的 由 于 各 用 户 程 序 性 能 的 不 同, 比 如, 有 的 侧 重 于 计 算 而 较 少 需 要 I/O; 而 又 有 的 程 序 其 计 算 少 而 I/O 多 这 样, 很 可 能 是 先 进 入 内 存 的 作 业 后 完 成, 而 后 进 入 内 存 的 作 业 先 完 成 或 者 说, 进 程 是 以 人 们 不 可 预 知 的 速 度 向 前 推 进, 此 即 进 程 的 异 步 性 (Asynchronism) 尽 管 如 此, 但 只 要 运 行 环 境 相 同, 作 业 经 多 次 运 行, 都 会 获 得 完 全 相 同 的 结 果 因 此, 异 步 运 行 方 式 是 允 许 的, 是 操 作 系 统 的 一 个 重 要 特 征 1.4 操 作 系 统 的 主 要 功 能 操 作 系 统 的 主 要 任 务, 是 为 多 道 程 序 的 运 行 提 供 良 好 的 运 行 环 境, 以 保 证 多 道 程 序 能 有 条 不 紊 高 效 地 运 行, 并 能 最 大 限 度 地 提 高 系 统 资 源 利 用 率 和 方 便 用 户 的 使 用 为 实 现 上 述 任 务, 操 作 系 统 应 该 具 有 这 样 几 方 面 的 功 能 : 处 理 机 管 理 存 储 器 管 理 设 备 管 理 和 文 件 管 理 为 了 方 便 用 户 使 用 操 作 系 统, 还 需 向 用 户 提 供 方 便 的 用 户 接 口 此 外,

27 第 1 章 操 作 系 统 引 论 13 由 于 当 今 的 网 络 已 相 当 普 及, 已 有 越 来 越 多 的 计 算 机 接 入 网 络 中, 为 了 方 便 计 算 机 联 网, 又 在 操 作 系 统 中 增 加 了 面 向 网 络 的 服 务 和 功 能 处 理 机 管 理 功 能 传 统 的 系 统 中, 对 处 理 机 的 管 理, 可 归 结 为 对 进 程 的 管 理, 在 引 入 线 程 的 操 作 系 统 中, 则 相 应 地 包 含 对 线 程 的 管 理 因 此, 处 理 机 管 理 的 主 要 功 能, 是 创 建 和 撤 销 进 程 ( 线 程 ), 对 诸 进 程 ( 线 程 ) 进 行 协 调, 实 现 进 程 ( 线 程 ) 之 间 信 息 的 交 换, 以 及 按 照 一 定 的 算 法 把 处 理 机 分 配 给 进 程 ( 线 程 ) 1. 进 程 控 制 在 传 统 的 多 道 程 序 环 境 下, 要 使 作 业 运 行, 必 须 先 为 它 创 建 一 个 或 几 个 进 程, 并 为 之 分 配 必 要 的 资 源 当 进 程 运 行 结 束 时, 立 即 撤 销 该 进 程, 以 便 能 及 时 回 收 该 进 程 所 占 用 的 各 类 资 源 进 程 控 制 的 主 要 功 能 是 为 作 业 创 建 进 程 撤 销 已 结 束 的 进 程, 以 及 控 制 进 程 在 运 行 过 程 中 的 状 态 转 换 在 现 代 操 作 系 统 中, 进 程 控 制 还 应 具 有 为 一 个 进 程 创 建 若 干 个 线 程 的 功 能 和 撤 销 ( 终 止 ) 已 完 成 任 务 的 线 程 的 功 能 2. 进 程 同 步 为 使 多 个 进 程 能 有 条 不 紊 地 运 行, 系 统 中 必 须 设 置 进 程 同 步 机 制 进 程 同 步 的 主 要 任 务 是 为 多 个 进 程 ( 线 程 ) 的 运 行 进 行 协 调 有 两 种 协 调 方 式 :1 进 程 互 斥 方 式, 这 是 指 诸 进 程 ( 线 程 ) 在 对 临 界 资 源 进 行 访 问 时, 应 采 用 互 斥 方 式 ;2 进 程 同 步 方 式, 指 在 相 互 合 作 去 完 成 共 同 任 务 的 诸 进 程 ( 线 程 ) 间, 由 同 步 机 构 对 它 们 的 执 行 次 序 加 以 协 调 为 了 实 现 进 程 同 步, 系 统 中 必 须 设 置 进 程 同 步 机 制 最 简 单 的 用 于 实 现 进 程 互 斥 的 机 制, 是 为 每 一 个 临 界 资 源 配 置 一 把 锁, 当 锁 打 开 时, 进 程 ( 线 程 ) 可 以 对 该 临 界 资 源 进 行 访 问 ; 而 当 锁 关 上 时, 则 禁 止 进 程 ( 线 程 ) 访 问 该 临 界 资 源 3. 进 程 通 信 在 多 道 程 序 环 境 下, 为 了 加 速 应 用 程 序 的 运 行, 应 在 系 统 中 建 立 多 个 进 程, 并 且 再 为 一 个 进 程 建 立 若 干 个 线 程, 由 这 些 进 程 ( 线 程 ) 相 互 合 作 去 完 成 一 个 共 同 的 任 务 而 在 这 些 进 程 ( 线 程 ) 之 间, 又 往 往 需 要 交 换 信 息 例 如, 有 三 个 相 互 合 作 的 进 程, 它 们 是 输 入 进 程 计 算 进 程 和 打 印 进 程 输 入 进 程 负 责 将 所 输 入 的 数 据 传 送 给 计 算 进 程 ; 计 算 进 程 利 用 输 入 数 据 进 行 计 算, 并 把 计 算 结 果 传 送 给 打 印 进 程 ; 最 后, 由 打 印 进 程 把 计 算 结 果 打 印 出 来 进 程 通 信 的 任 务 就 是 用 来 实 现 在 相 互 合 作 的 进 程 之 间 的 信 息 交 换 当 相 互 合 作 的 进 程 ( 线 程 ) 处 于 同 一 计 算 机 系 统 时, 通 常 在 它 们 之 前 采 用 的 是 直 接 通 信 方 式, 即 由 源 进 程 利 用 发 送 命 令 直 接 将 消 息 (message) 挂 到 目 标 进 程 的 消 息 队 列 上, 然 后 由 目 标 进 程 利 用 接 收 命 令 从 其 消 息 队 列 中 取 出 消 息 4. 调 度 科 学 出 版 社 在 后 备 队 列 上 等 待 的 每 个 作 业, 通 常 都 要 经 过 调 度 才 能 执 行 在 传 统 的 操 作 系 统 中, 包 括 作 业 调 度 和 进 程 调 度 两 步 作 业 调 度 的 基 本 任 务 是 从 后 备 队 列 中 按 照 一 定 的 算 法,

28 14 操 作 系 统 选 择 出 若 干 个 作 业, 为 它 们 分 配 其 必 需 的 资 源 ( 首 先 是 分 配 内 存 ) 在 将 它 们 调 入 内 存 后, 便 分 别 为 它 们 建 立 进 程, 使 它 们 都 成 为 可 能 获 得 处 理 机 的 就 绪 进 程, 并 按 照 一 定 的 算 法 将 它 们 插 入 就 绪 队 列 而 进 程 调 度 的 任 务, 则 是 从 进 程 的 就 绪 队 列 中 选 出 一 新 进 程, 把 处 理 机 分 配 给 它, 并 为 它 设 置 运 行 现 场, 使 进 程 投 入 执 行 值 得 提 出 的 是, 在 多 线 程 操 作 系 统 中, 通 常 是 把 线 程 作 为 独 立 运 行 和 分 配 处 理 机 的 基 本 单 位, 为 此, 须 把 就 绪 线 程 排 成 一 个 队 列, 每 次 调 度 时, 从 就 绪 线 程 队 列 中 选 出 一 个 线 程, 把 处 理 机 分 配 给 它 存 储 器 管 理 功 能 存 储 器 管 理 的 主 要 任 务, 是 为 多 道 程 序 的 运 行 提 供 良 好 的 环 境, 方 便 用 户 使 用 存 储 器, 提 高 存 储 器 利 用 率 以 及 能 从 逻 辑 上 扩 充 内 存 为 此 存 储 器 管 理 应 具 有 如 下 几 项 功 能 1. 内 存 分 配 内 存 分 配 的 主 要 任 务, 是 为 每 道 程 序 分 配 内 存 空 间, 使 它 们 各 得 其 所 ; 提 高 存 储 器 的 利 用 率 ; 允 许 正 在 运 行 的 程 序 申 请 附 加 的 内 存 空 间, 以 适 应 程 序 和 数 据 动 态 增 长 的 需 要 操 作 系 统 在 实 现 内 存 分 配 时, 可 采 取 静 态 和 动 态 两 种 方 式 在 静 态 分 配 方 式 中, 每 个 作 业 的 内 存 空 间 是 在 作 业 装 入 时 确 定 的 ; 在 作 业 装 入 后 的 整 个 运 行 期 间, 不 允 许 该 作 业 再 申 请 新 的 内 存 空 间, 也 不 允 许 作 业 在 内 存 中 移 动 ; 在 动 态 分 配 方 式 中, 每 个 作 业 所 要 求 的 基 本 内 存 空 间, 也 是 在 装 入 时 确 定 的, 但 允 许 作 业 在 运 行 过 程 中, 继 续 申 请 新 的 附 加 内 存 空 间, 以 适 应 程 序 和 数 据 的 动 态 增 长, 也 允 许 作 业 在 内 存 中 移 动 为 了 实 现 内 存 分 配, 在 内 存 分 配 的 机 制 中 应 具 有 以 下 结 构 和 功 能 (1) 内 存 分 配 数 据 结 构, 该 结 构 用 于 记 录 内 存 空 间 的 使 用 情 况, 作 为 内 存 分 配 的 依 据 (2) 内 存 分 配 功 能, 系 统 按 照 一 定 的 内 存 分 配 算 法, 为 用 户 程 序 分 配 内 存 空 间 (3) 内 存 回 收 功 能, 系 统 对 于 用 户 不 再 需 的 内 存, 通 过 用 户 的 释 放 请 求, 去 完 成 系 统 的 回 收 功 能 2. 内 存 保 护 内 存 保 护 的 主 要 任 务 是 确 保 每 道 用 户 程 序 都 只 在 自 己 的 内 存 空 间 内 运 行, 彼 此 互 不 干 扰 为 了 确 保 每 道 程 序 都 只 在 自 己 的 内 存 区 中 运 行, 必 须 设 置 内 存 保 护 机 制 一 种 比 较 简 单 的 内 存 保 护 机 制, 是 设 置 两 个 界 限 寄 存 器, 分 别 用 于 存 放 正 在 执 行 程 序 的 上 界 和 下 界 系 统 需 对 每 条 指 令 所 要 访 问 的 地 址 进 行 检 查, 如 果 发 生 越 界, 便 发 出 越 界 中 断 请 求, 以 停 止 该 程 序 的 执 行 如 果 这 种 检 查 完 全 用 软 件 实 现, 则 每 执 行 一 条 指 令, 便 须 增 加 若 干 条 指 令 去 进 行 越 界 检 查, 这 将 显 著 降 低 程 序 的 运 行 速 度 因 此, 越 界 检 查 都 由 硬 件 实 现 当 然, 对 发 生 越 界 后 的 处 理, 还 需 与 软 件 配 合 来 完 成 3. 地 址 映 射 一 个 应 用 程 序 ( 源 程 序 ) 经 编 译 后, 通 常 会 形 成 若 干 个 目 标 程 序, 这 些 目 标 程 序 再 经 过 链 接 便 形 成 了 可 装 入 程 序 这 些 程 序 的 地 址 都 是 从 0 开 始 的, 程 序 中 的 其 他 地 址

29 第 1 章 操 作 系 统 引 论 15 都 是 相 对 于 起 始 地 址 计 算 的 ; 由 这 些 地 址 所 形 成 的 地 址 范 围 称 为 地 址 空 间, 其 中 的 地 址 称 为 逻 辑 地 址 或 相 对 地 址 此 外, 由 内 存 中 的 一 系 列 单 元 所 限 定 的 地 址 范 围 称 为 内 存 空 间, 其 中 的 地 址 称 为 物 理 地 址 在 多 道 程 序 环 境 下, 每 道 程 序 不 可 能 都 从 0 地 址 开 始 装 入 ( 内 存 ), 这 就 致 使 地 址 空 间 内 的 逻 辑 地 址 和 内 存 空 间 中 的 物 理 地 址 不 相 一 致 为 使 程 序 能 正 确 运 行, 存 储 器 管 理 必 须 提 供 地 址 映 射 功 能, 以 将 地 址 空 间 中 的 逻 辑 地 址 转 换 为 内 存 空 间 中 与 之 对 应 的 物 理 地 址 该 功 能 应 在 硬 件 的 支 持 下 完 成 4. 内 存 扩 充 存 储 器 管 理 中 的 内 存 扩 充 任 务, 并 非 是 去 扩 大 物 理 内 存 的 容 量, 而 是 借 助 于 虚 拟 存 储 技 术, 从 逻 辑 上 去 扩 充 内 存 容 量, 使 用 户 所 感 觉 到 的 内 存 容 量 比 实 际 内 存 容 量 大 得 多 ; 或 者 是 让 更 多 的 用 户 程 序 能 并 发 运 行 这 样, 既 满 足 了 用 户 的 需 要, 改 善 了 系 统 的 性 能, 又 基 本 上 不 增 加 硬 件 投 资 为 了 能 在 逻 辑 上 扩 充 内 存, 系 统 必 须 具 有 内 存 扩 充 机 制, 用 于 实 现 以 下 功 能 (1) 请 求 调 入 功 能 允 许 在 装 入 部 分 用 户 程 序 和 数 据 的 情 况 下, 便 启 动 程 序 运 行 在 程 序 运 行 过 程 中, 若 发 现 要 继 续 运 行 时 所 需 程 序 和 数 据 未 装 入 内 存, 可 向 操 作 系 统 请 求 从 磁 盘 将 所 需 部 分 调 入 内 存, 以 便 继 续 运 行 (2) 置 换 功 能 若 发 现 在 内 存 中 已 无 足 够 的 空 间 来 装 入 需 要 调 入 的 程 序 和 数 据 时, 系 统 应 能 将 内 存 中 一 部 分 暂 时 不 用 的 数 据 调 出 至 磁 盘 上, 以 腾 出 空 间 将 所 需 调 入 的 部 分 装 入 内 存 设 备 管 理 功 能 设 备 管 理 用 于 管 理 计 算 机 系 统 中 所 有 的 外 围 设 备, 设 备 管 理 的 主 要 任 务 是 完 成 用 户 进 程 提 出 的 I/O 请 求 ; 为 用 户 进 程 分 配 其 所 需 的 I/O 设 备 ; 提 高 CPU 和 I/O 设 备 的 利 用 率 ; 提 高 I/O 速 度 ; 方 便 用 户 使 用 I/O 设 备 为 实 现 上 述 任 务, 设 备 管 理 应 具 有 缓 冲 管 理 设 备 分 配 和 设 备 处 理, 以 及 虚 拟 设 备 等 功 能 1. 缓 冲 管 理 CPU 运 行 的 高 速 性 和 I/O 的 低 速 性 间 的 矛 盾 自 计 算 机 诞 生 时 起 便 已 存 在 而 随 着 CPU 速 度 大 幅 度 的 提 高, 此 矛 盾 更 为 突 出, 严 重 降 低 了 CPU 的 利 用 率 如 果 在 I/O 设 备 和 CPU 之 间 引 入 缓 冲, 则 可 有 效 地 缓 和 CPU 和 I/O 设 备 速 度 不 匹 配 的 矛 盾, 提 高 CPU 的 利 用 率, 进 而 提 高 系 统 吞 吐 量 因 此, 在 现 代 计 算 机 系 统 中, 都 毫 无 例 外 地 在 内 存 中 设 置 了 缓 冲 区, 而 且 还 可 通 过 增 加 缓 冲 区 容 量 的 方 法, 来 改 善 系 统 的 性 能 对 于 不 同 的 系 统, 可 以 采 用 不 同 的 缓 冲 区 机 制 最 常 见 的 缓 冲 区 机 制 有 单 缓 冲 机 制 能 实 现 双 向 同 时 传 送 数 据 的 双 缓 冲 机 制, 以 及 能 供 多 个 设 备 同 时 使 用 的 公 用 缓 冲 池 机 制 上 述 这 些 缓 冲 区 都 将 由 操 作 系 统 中 的 缓 冲 管 理 机 制 来 管 理 2. 设 备 分 配 科 学 出 版 社 设 备 分 配 的 基 本 任 务, 是 根 据 用 户 进 程 的 I/O 请 求 系 统 的 现 有 资 源 情 况 以 及 按 照

30 16 操 作 系 统 某 种 设 备 分 配 策 略, 为 之 分 配 其 所 需 的 设 备 如 果 在 I/O 设 备 和 CPU 之 间, 还 存 在 着 设 备 控 制 器 和 I/O 通 道 时, 还 须 为 分 配 出 去 的 设 备 分 配 相 应 的 控 制 器 和 通 道 为 了 实 现 设 备 分 配, 系 统 中 应 设 置 设 备 控 制 表 控 制 器 控 制 表 等 数 据 结 构, 用 于 记 录 设 备 及 控 制 器 的 标 识 符 和 状 态 据 这 些 表 格 可 以 了 解 指 定 设 备 当 前 是 否 可 用, 是 否 忙 碌, 以 供 进 行 设 备 分 配 时 参 考 在 进 行 设 备 分 配 时, 应 针 对 不 同 的 设 备 类 型 而 采 用 不 同 的 设 备 分 配 方 式 对 于 独 占 设 备 ( 临 界 资 源 ) 的 分 配, 还 应 考 虑 到 该 设 备 被 分 配 出 去 后, 系 统 是 否 安 全 设 备 使 用 完 后, 应 立 即 由 系 统 回 收 3. 设 备 处 理 设 备 处 理 程 序 又 称 为 设 备 驱 动 程 序 其 基 本 任 务 是 用 于 实 现 CPU 和 设 备 控 制 器 之 间 的 通 信, 即 由 CPU 向 设 备 控 制 器 发 出 I/O 命 令, 要 求 它 完 成 指 定 的 I/O 操 作 ; 反 之 由 CPU 接 收 从 控 制 器 发 来 的 中 断 请 求, 并 给 予 迅 速 的 响 应 和 相 应 的 处 理 处 理 过 程 如 下 : 设 备 处 理 程 序 首 先 检 查 I/O 请 求 的 合 法 性, 了 解 设 备 状 态 是 否 空 闲, 了 解 有 关 的 传 递 参 数 及 设 置 设 备 的 工 作 方 式 然 后, 便 向 设 备 控 制 器 发 出 I/O 命 令, 启 动 I/O 设 备 去 完 成 指 定 的 I/O 操 作 设 备 驱 动 程 序 还 应 能 及 时 响 应 由 控 制 器 发 来 的 中 断 请 求, 并 根 据 该 中 断 请 求 的 类 型, 调 用 相 应 的 中 断 处 理 程 序 进 行 处 理 对 于 设 置 了 通 道 的 计 算 机 系 统, 设 备 处 理 程 序 还 应 能 根 据 用 户 的 I/O 请 求, 自 动 地 构 成 通 道 程 序 文 件 管 理 功 能 在 现 代 计 算 机 管 理 中, 总 是 把 程 序 和 数 据 以 文 件 的 形 式 存 储 在 磁 盘 和 磁 带 上, 供 用 户 使 用 为 此, 操 作 系 统 中 必 须 配 置 文 件 管 理 机 构, 其 主 要 功 能 : 对 文 件 存 储 空 间 的 管 理 目 录 管 理 文 件 的 读 / 写 管 理 以 及 文 件 的 保 护 1. 文 件 存 储 空 间 的 管 理 由 文 件 系 统 对 诸 多 文 件 及 文 件 的 存 储 空 间 实 施 统 一 的 管 理 其 主 要 任 务 是 为 每 个 文 件 分 配 必 要 的 外 存 空 间, 提 高 外 存 的 利 用 率, 并 能 有 助 于 提 高 文 件 系 统 的 运 行 速 度 为 此, 系 统 应 设 置 相 应 的 数 据 结 构, 用 于 记 录 文 件 存 储 空 间 的 使 用 情 况, 以 供 分 配 存 储 空 间 时 参 考 ; 系 统 还 应 具 有 对 存 储 空 间 进 行 分 配 和 回 收 的 功 能 为 了 提 高 存 储 空 间 的 利 用 率, 对 存 储 空 间 的 分 配, 通 常 是 采 用 离 散 分 配 方 式, 以 减 少 外 存 零 头, 并 以 盘 块 为 基 本 分 配 单 位 盘 块 的 大 小 通 常 为 512B~1KB 2. 目 录 管 理 为 了 使 用 户 能 方 便 地 在 外 存 上 找 到 自 己 所 需 的 文 件, 通 常 由 系 统 为 每 个 文 件 建 立 一 个 目 录 项 目 录 项 包 括 文 件 名 文 件 属 性 文 件 在 磁 盘 上 的 物 理 位 置 等 由 若 干 个 目 录 项 又 可 构 成 一 个 目 录 文 件 目 录 管 理 的 主 要 任 务, 是 为 每 个 文 件 建 立 其 目 录 项, 并 对 众 多 的 目 录 项 加 以 有 效 地 组 织, 以 实 现 方 便 地 按 名 存 取 用 户 只 须 提 供 文 件 名, 即 可 对 该 文 件 进 行 存 取 其 次, 目 录 管 理 还 应 能 实 现 文 件 共 享, 这 样, 只 需 在 外 存 上 保 留 一 份 该 共 享 文 件 的 副 本 此 外, 还 应 能 提 供 快 速 的 目 录 查 询 手 段, 以 提 高 对 文 件 的 检 索 速 度

31 第 1 章 操 作 系 统 引 论 文 件 的 读 / 写 管 理 和 保 护 (1) 文 件 的 读 / 写 管 理 该 功 能 是 根 据 用 户 的 请 求, 从 外 存 中 读 取 数 据 ; 或 将 数 据 写 入 外 存 在 进 行 文 件 读 ( 写 ) 时, 系 统 先 根 据 用 户 给 出 的 文 件 名, 去 检 索 文 件 目 录, 从 中 获 得 文 件 在 外 存 中 的 位 置 然 后, 利 用 文 件 读 ( 写 ) 指 针, 对 文 件 进 行 读 ( 写 ) 一 旦 读 ( 写 ) 完 成, 便 修 改 读 ( 写 ) 指 针, 为 下 一 次 读 ( 写 ) 做 好 准 备 由 于 读 和 写 操 作 不 会 同 时 进 行, 故 可 合 用 一 个 读 / 写 指 针 (2) 文 件 保 护 为 了 防 止 系 统 中 的 文 件 被 非 法 窃 取 和 破 坏, 在 文 件 系 统 中 必 须 提 供 有 效 的 存 取 控 制 功 能, 以 实 现 下 述 目 标 :1 防 止 未 经 核 准 的 用 户 存 取 文 件 ;2 防 止 冒 名 顶 替 存 取 文 件 ;3 防 止 以 不 正 确 的 方 式 使 用 文 件 用 户 接 口 为 了 方 便 用 户 使 用 操 作 系 统, 操 作 系 统 又 向 用 户 提 供 了 用 户 与 操 作 系 统 的 接 口 该 接 口 通 常 是 以 命 令 或 以 系 统 调 用 的 形 式 呈 现 给 用 户 的 在 较 晚 出 现 的 操 作 系 统 中, 又 向 用 户 提 供 了 图 形 接 口 1. 命 令 接 口 (1) 联 机 用 户 接 口 这 是 为 联 机 用 户 提 供 的, 它 由 一 组 键 盘 操 作 命 令 及 命 令 解 释 程 序 所 组 成 当 用 户 在 终 端 或 控 制 台 上 每 输 入 一 条 命 令 后, 系 统 便 立 即 转 入 命 令 解 释 程 序, 对 该 命 令 加 以 解 释 并 执 行 该 命 令 在 完 成 指 定 功 能 后, 控 制 又 返 回 到 终 端 或 控 制 台 上, 等 待 用 户 输 入 下 一 条 命 令 这 样, 用 户 可 通 过 先 后 输 入 不 同 命 令 的 方 式, 来 实 现 对 作 业 的 控 制, 直 至 作 业 完 成 (2) 脱 机 用 户 接 口 该 接 口 是 为 批 处 理 作 业 的 用 户 提 供 的, 故 也 称 为 批 处 理 用 户 接 口 该 接 口 由 一 组 作 业 控 制 语 言 JCL 组 成 批 处 理 作 业 的 用 户 不 能 直 接 与 自 己 的 作 业 交 互 作 用, 只 能 委 托 系 统 代 替 用 户 对 作 业 进 行 控 制 和 干 预 这 里 的 作 业 控 制 语 言 JCL 便 是 提 供 给 批 处 理 作 业 用 户 的, 为 实 现 所 需 功 能 而 委 托 系 统 代 为 控 制 的 一 种 语 言 用 户 用 JCL 把 需 要 对 作 业 进 行 的 控 制 和 干 预 事 先 写 在 作 业 说 明 书 上, 然 后 将 作 业 连 同 作 业 说 明 书 一 起 提 供 给 系 统 当 系 统 调 度 到 该 作 业 运 行 时, 又 调 用 命 令 解 释 程 序, 对 作 业 说 明 书 上 的 命 令 逐 条 地 解 释 执 行 如 果 作 业 在 执 行 过 程 中 出 现 异 常 现 象, 系 统 也 将 根 据 作 业 说 明 书 上 的 指 示 进 行 干 预 这 样, 作 业 一 直 在 作 业 说 明 书 的 控 制 下 运 行, 直 至 遇 到 作 业 结 束 语 句 时, 系 统 才 停 止 该 作 业 的 运 行 2. 程 序 接 口 科 学 出 版 社 该 接 口 是 为 用 户 程 序 在 执 行 中 访 问 系 统 资 源 而 设 置 的, 是 用 户 程 序 取 得 操 作 系 统 服 务 的 唯 一 途 径 它 是 由 一 组 系 统 调 用 组 成, 每 一 个 系 统 调 用 都 是 一 个 能 完 成 特 定 功 能 的 子 程 序, 每 当 应 用 程 序 要 求 操 作 系 统 提 供 某 种 服 务 ( 功 能 ) 时, 便 调 用 具 有 相 应 功 能 的 系 统 调 用 早 期 的 系 统 调 用 都 是 用 汇 编 语 言 提 供 的, 只 有 在 用 汇 编 语 言 书 写 的 程 序 中, 才 能 直 接 使 用 系 统 调 用 ; 但 在 高 级 语 言 以 及 C 语 言 中, 往 往 提 供 了 与 各 系 统 调 用 一 一 对 应 的 库 函 数, 这 样, 应 用 程 序 便 可 通 过 调 用 对 应 的 库 函 数 来 使 用 系 统 调 用 但 在 近 几 年

32 18 操 作 系 统 所 推 出 的 操 作 系 统 中, 如 UNIX 和 OS/2 版 本 中, 其 系 统 调 用 本 身 已 经 采 用 C 语 言 编 写, 并 以 函 数 形 式 提 供, 故 在 用 C 语 言 编 制 的 程 序 中, 可 直 接 使 用 系 统 调 用 3. 图 形 接 口 用 户 虽 然 可 以 通 过 联 机 用 户 接 口 来 取 得 操 作 系 统 的 服 务, 但 这 时 要 求 用 户 能 熟 记 各 种 命 令 的 名 字 和 格 式, 并 严 格 按 照 规 定 的 格 式 输 入 命 令, 这 既 不 方 便 又 浪 费 时 间, 于 是, 图 形 用 户 接 口 便 应 运 而 生 图 形 用 户 接 口 采 用 了 图 形 化 的 操 作 界 面, 用 非 常 容 易 识 别 的 各 种 图 标 (Icon) 来 将 系 统 的 各 项 功 能 各 种 应 用 程 序 和 文 件, 直 观 逼 真 地 表 示 出 来 用 户 可 用 鼠 标 或 通 过 菜 单 和 对 话 框, 来 完 成 对 应 用 程 序 和 文 件 的 操 作 此 时 用 户 已 完 全 不 必 像 使 用 命 令 接 口 那 样 去 记 住 命 令 名 及 格 式, 从 而 使 用 户 从 繁 琐 且 单 调 的 操 作 中 解 脱 出 来 1.5 操 作 系 统 的 结 构 设 计 操 作 系 统 是 一 个 大 型 系 统 软 件, 其 结 构 设 计 经 历 了 四 代 变 革 第 一 代 的 操 作 系 统 是 无 结 构 的 ; 第 二 代 操 作 系 统 采 用 模 块 式 结 构 ; 第 三 代 操 作 系 统 是 层 次 式 结 构 ; 进 入 20 世 纪 90 年 代 中 期 后, 微 内 核 操 作 系 统 结 构 开 始 流 行 由 于 现 代 的 操 作 系 统 都 非 常 庞 大, 已 不 能 再 用 早 期 手 工 作 坊 式 的 开 发 方 法, 于 是 引 入 了 工 程 学 的 基 本 原 理 和 方 法, 形 成 了 软 件 工 程 学 软 件 工 程 的 基 本 概 念 1. 软 件 的 含 义 所 谓 软 件, 是 指 当 计 算 机 运 行 时, 能 提 供 所 要 求 的 功 能 和 性 能 的 指 令 以 及 程 序 的 集 合, 该 程 序 能 够 正 确 地 处 理 信 息 的 数 据 结 构 作 为 规 范 软 件, 还 应 具 有 描 述 程 序 功 能 需 求 以 及 程 序 如 何 操 作 使 用 的 文 档 如 果 说, 硬 件 是 物 理 部 件, 那 么, 软 件 则 是 一 种 逻 辑 部 件, 它 具 有 与 硬 件 完 全 不 同 的 特 点 2. 软 件 工 程 的 含 义 软 件 工 程 是 指 运 用 系 统 的 规 范 的 和 可 定 量 的 方 法, 来 开 发 运 行 和 维 护 软 件 或 者 说, 是 采 用 工 程 的 概 念 原 理 技 术 和 方 法 来 开 发 与 维 护 软 件, 其 目 的 是 为 了 解 决 在 软 件 开 发 中 所 出 现 的 编 程 随 意 软 件 质 量 不 可 保 证 以 及 维 护 困 难 等 问 题 传 统 的 操 作 系 统 结 构 操 作 系 统 是 一 个 十 分 复 杂 的 大 型 软 件 为 了 控 制 该 软 件 的 复 杂 性, 在 开 发 操 作 系 统 时, 先 后 引 入 了 分 解 模 块 化 抽 象 和 隐 蔽 等 方 法 开 发 方 法 的 不 断 发 展, 促 进 了 操 作 系 统 结 构 的 更 新 换 代 这 里, 我 们 把 第 一 代 至 第 三 代 的 操 作 系 统 结 构, 称 为 传 统 的 操 作 系 统 结 构, 而 把 微 内 核 的 操 作 系 统 结 构 称 为 现 代 操 作 系 统 结 构 1. 无 结 构 操 作 系 统 在 早 期 开 发 操 作 系 统 时, 设 计 者 只 是 把 注 意 力 放 在 功 能 的 实 现 和 获 得 高 的 效 率 上,

33 第 1 章 操 作 系 统 引 论 19 缺 乏 首 尾 一 致 的 设 计 思 想 此 时 的 操 作 系 统 是 为 数 众 多 的 一 组 过 程 的 集 合, 各 过 程 之 间 可 以 相 互 调 用, 在 操 作 系 统 内 部 不 存 在 任 何 结 构, 因 此, 这 种 操 作 系 统 是 无 结 构 的, 也 有 人 把 它 称 为 整 体 系 统 结 构 此 时 程 序 设 计 的 技 巧, 只 是 如 何 编 制 紧 凑 的 程 序, 以 便 有 效 地 利 用 内 存, 对 GOTO 语 句 的 使 用 不 加 任 何 限 制, 所 设 计 出 的 操 作 系 统 既 庞 大 又 杂 乱, 缺 乏 清 晰 的 程 序 结 构 一 方 面 使 所 编 制 出 的 程 序 错 误 很 多, 给 调 试 工 作 带 来 很 多 困 难 ; 另 一 方 面 也 使 程 序 难 以 阅 读 和 理 解, 增 加 了 维 护 人 员 的 负 担 2. 模 块 化 操 作 系 统 结 构 1) 模 块 化 结 构 模 块 化 程 序 设 计 技 术, 是 最 早 (20 世 纪 60 年 代 ) 出 现 的 一 种 程 序 设 计 技 术 该 技 术 是 基 于 分 解 和 模 块 化 原 则 来 控 制 大 型 软 件 的 复 杂 度 的 为 使 操 作 系 统 具 有 较 清 晰 的 结 构, 操 作 系 统 不 再 是 由 众 多 的 过 程 直 接 构 成, 而 是 将 操 作 系 统 按 其 功 能 划 分 为 若 干 个 具 有 一 定 独 立 性 和 大 小 的 模 块 每 个 模 块 具 有 某 方 面 的 管 理 功 能, 如 进 程 管 理 模 块 存 储 器 管 理 模 块 I/O 设 备 管 理 模 块 和 文 件 管 理 模 块 等, 并 规 定 好 各 模 块 间 的 接 口, 使 各 模 块 之 间 能 通 过 该 接 口 实 现 交 互, 然 后 再 进 一 步 将 各 模 块 细 分 为 若 干 个 具 有 一 定 管 理 功 能 的 子 模 块, 如 把 进 程 管 理 模 块 又 分 为 进 程 控 制 进 程 同 步 进 程 通 信 和 进 程 调 度 等 子 模 块, 同 样 也 要 规 定 各 子 模 块 之 间 的 接 口 若 子 模 块 较 大 时, 再 进 一 步 将 它 细 分 图 1-4 所 示 是 由 模 块 子 模 块 等 组 成 的 模 块 化 操 作 系 统 结 构 图 1-4 模 块 化 操 作 系 统 结 构 科 学 出 版 社 2) 模 块 化 操 作 系 统 的 优 缺 点 采 用 模 块 化 结 构 的 操 作 系 统 较 之 无 结 构 的 操 作 系 统 具 有 如 下 优 点 (1) 提 高 了 操 作 系 统 设 计 的 正 确 性 可 理 解 性 和 可 维 护 性 在 设 计 模 块 化 操 作 系 统 时, 尽 可 能 使 各 个 模 块 具 有 高 内 聚 低 耦 合 的 特 征, 这 样 不 仅 使 操 作 系 统 具 有 清 晰 的 结 构, 更 易 于 保 证 操 作 系 统 设 计 的 正 确 性, 也 使 操 作 系 统 变 得 更 易 理 解 和 维 护 (2) 增 强 了 操 作 系 统 的 可 适 应 性 模 块 化 操 作 系 统 中 的 模 块, 都 具 有 相 对 的 独 立 性, 可 以 根 据 不 同 应 用 环 境 的 需 求 选 用 相 应 的 功 能 模 块 来 组 成 所 需 的 系 统, 即 量 体 裁 衣 当 计 算 机 结 构 和 应 用 需 求 发 生 变 化 时, 可 通 过 修 改 模 块 和 增 加 模 块 来 构 成 一 个 能 满 足 新 需 求 的 操 作 系 统 (3) 加 速 了 操 作 系 统 的 开 发 过 程 在 进 行 模 块 化 操 作 系 统 的 设 计 时, 将 一 个 操 作 系 统 划 分 为 若 干 模 块 并 设 计 好 模 块 间 的 接 口 后, 便 可 将 这 些 模 块 交 由 不 同 的 开 发 小 组 去 完 成, 从 而 使 设 计 组 的 许 多 人 齐 头 并 进

34 20 操 作 系 统 模 块 化 结 构 设 计 的 缺 点 如 下 (1) 在 开 始 设 计 操 作 系 统 时, 对 模 块 的 划 分 及 对 接 口 的 规 定 并 不 精 确, 而 且 还 可 能 存 在 错 误, 因 而 很 难 保 证 按 此 规 定 所 设 计 出 的 模 块 会 完 全 正 确, 这 将 使 在 把 这 些 模 块 装 配 成 操 作 系 统 时 发 生 困 难 (2) 从 功 能 观 点 来 划 分 模 块 时, 未 能 将 共 享 资 源 和 独 占 资 源 加 以 区 别, 由 于 管 理 上 的 差 异, 又 会 使 模 块 间 存 在 着 复 杂 的 依 赖 关 系 使 操 作 系 统 结 构 变 得 不 清 晰 3. 分 层 式 操 作 系 统 结 构 1) 有 序 分 层 的 基 本 概 念 从 改 进 设 计 方 式 上 说, 应 使 我 们 的 每 一 步 设 计 都 是 建 立 在 可 靠 的 基 础 上 我 们 可 以 从 物 理 机 器 开 始, 在 其 上 面 先 添 加 一 层 具 有 一 定 功 能 的 软 件 A 1, 由 于 A 1 是 建 立 在 完 全 确 定 的 物 理 机 器 上 的, 在 经 过 精 心 设 计 和 几 乎 是 穷 尽 无 遗 的 测 试 后, 可 以 认 为 A 1 是 正 确 的 ; 然 后 再 在 A 1 上 添 加 一 层 新 软 件 A 2,, 如 此 一 层 一 层 地 自 底 向 上 增 添 软 件 层, 每 一 层 都 实 现 若 干 功 能, 最 后 总 能 构 成 一 个 能 满 足 需 要 的 操 作 系 统 分 层 式 结 构 设 计 的 基 本 原 则 是 : 每 一 层 都 仅 使 用 其 底 层 所 提 供 的 功 能 和 服 务, 这 样 可 使 系 统 的 调 试 和 验 证 都 变 得 容 易, 例 如, 在 调 试 第 一 层 软 件 A 1 时, 由 于 它 只 使 用 了 物 理 机 器 提 供 的 功 能, 因 此 它 将 与 其 所 有 的 高 层 软 件 A 2,,A n 无 关 ; 同 样, 在 调 试 A 2 时, 它 也 只 使 用 了 A 1 和 物 理 机 器 所 提 供 的 功 能, 而 与 其 高 层 软 件 A 3,,A n 无 关, 这 样, 一 旦 发 现 A i 出 现 错 误 时, 通 常 该 错 误 只 会 局 限 于 A i, 因 为 它 与 所 有 高 层 的 软 件 无 关, 而 A i 层 以 下 的 各 层 软 件, 又 都 经 过 仔 细 的 调 试 2) 层 次 的 设 置 (1) 程 序 嵌 套 通 常 操 作 系 统 的 每 个 功 能 的 实 现, 并 非 是 只 用 一 个 程 序 便 能 完 成 的, 而 是 要 经 由 若 干 个 软 件 层 才 有 可 能 完 成 因 此 在 划 分 操 作 系 统 层 次 时, 首 先 要 考 虑 在 实 现 操 作 系 统 的 每 个 功 能 时 所 形 成 的 程 序 嵌 套 例 如, 作 业 调 度 模 块 须 调 用 进 程 控 制 模 块 ; 在 为 某 作 业 创 建 一 进 程 时, 进 程 控 制 模 块 又 需 调 用 内 存 管 理 模 块 为 新 进 程 分 配 内 存 空 间, 可 见, 进 程 控 制 模 块 应 在 内 存 管 理 模 块 之 上 ; 而 作 业 调 度 模 块 又 应 在 更 高 层 (2) 运 行 频 率 在 分 层 结 构 中, 各 层 次 软 件 的 运 行 速 度 是 不 同 的, 因 为 A 1 层 软 件 能 直 接 在 物 理 机 器 上 运 行, 故 它 有 最 高 的 运 行 速 度 随 着 层 次 的 增 高, 其 相 应 软 件 的 运 行 速 度 就 随 之 下 降, 因 而 A n 层 软 件 的 运 行 速 度 最 低 为 了 提 高 操 作 系 统 的 运 行 效 率, 应 该 将 那 些 经 常 活 跃 的 模 块 放 在 最 接 近 硬 件 的 A 1 层, 如 时 钟 管 理 和 进 程 调 度, 通 常 都 放 在 A 1 层 (3) 公 用 模 块 应 把 供 多 种 资 源 管 程 程 序 调 用 的 公 用 模 块, 设 置 在 最 低 层, 否 则, 会 使 比 它 低 的 层 次 模 块 由 于 无 法 调 用 它 而 需 另 外 配 置 相 应 功 能 的 模 块 例 如, 用 于 对 信 号 量 进 行 操 作 的 原 语 Signal 和 Wait (4) 用 户 接 口 为 方 便 用 户 ( 程 序 ), 操 作 系 统 向 用 户 提 供 了 用 户 与 操 作 系 统 的 接 口, 如 命 令 接 口 程 序 接 口 以 及 图 形 用 户 接 口 这 些 接 口 应 设 置 在 操 作 系 统 的 最 高 层, 直 接 供 用 户 使 用 微 内 核 操 作 系 统 结 构 微 内 核 (MicroKernel) 操 作 系 统 结 构 是 20 世 纪 80 年 代 后 期 发 展 起 来 的 由 于 它 能

35 第 1 章 操 作 系 统 引 论 21 有 效 地 支 持 多 处 理 机 运 行, 故 非 常 适 用 于 分 布 式 的 系 统 环 境 当 前 比 较 流 行 的 能 支 持 多 处 理 机 运 行 的 操 作 系 统, 几 乎 都 采 用 微 内 核 的 结 构 值 得 提 出 的 是, 在 与 微 内 核 技 术 形 成 和 发 展 的 同 时, 客 户 / 服 务 器 技 术, 面 向 对 象 技 术 也 在 迅 速 发 展, 它 们 已 渗 透 到 软 件 的 许 多 领 域 中, 并 把 它 们 应 用 到 基 于 微 内 核 结 构 的 操 作 系 统 中, 由 此 形 成 的 操 作 系 统 结 构, 具 有 以 微 内 核 为 核 心, 以 客 户 / 服 务 器 为 基 础, 并 且 采 用 面 向 对 象 程 序 设 计 方 法 的 特 征 1. 客 户 / 服 务 器 模 式 (Client-Server Model) 1) 基 本 概 念 为 了 提 高 操 作 系 统 的 灵 活 性 和 可 扩 充 性 而 将 操 作 系 统 划 分 为 两 部 分, 一 部 分 是 用 于 提 供 各 种 服 务 的 一 组 服 务 器 ( 进 程 ), 另 一 部 分 是 用 来 处 理 客 户 和 服 务 器 之 间 通 信 的 内 核 如 用 于 提 供 进 程 管 理 的 进 程 服 务 器 提 供 存 储 器 管 理 的 存 储 器 服 务 器 提 供 文 件 管 理 的 文 件 服 务 器 等, 所 有 这 些 服 务 器 ( 进 程 ) 都 运 行 在 用 户 态 当 有 一 用 户 进 程 ( 现 在 称 为 客 户 进 程 ) 要 求 读 文 件 的 一 个 盘 块 时, 该 进 程 便 向 文 件 服 务 器 ( 进 程 ) 发 出 一 个 请 求 ; 当 服 务 器 完 成 了 该 客 户 的 请 求 后, 便 给 该 客 户 回 送 一 个 响 应 即 由 内 核 来 接 收 客 户 的 请 求, 再 将 该 请 求 送 至 相 应 的 服 务 器, 同 时 也 接 收 服 务 器 的 应 答, 并 将 此 应 答 回 送 给 请 求 客 户 图 1-5 表 示 出 在 单 机 环 境 下 的 客 户 / 服 务 器 模 式 此 外, 在 内 核 中 还 应 具 有 其 他 一 些 机 构, 用 于 实 现 与 硬 件 紧 密 相 关 的 和 一 些 基 本 的 功 能 图 1-5 单 机 环 境 下 的 客 户 / 服 务 器 模 式 2) 客 户 / 服 务 器 模 式 的 优 点 (1) 提 高 了 系 统 的 灵 活 性 和 可 扩 充 性 在 客 户 / 服 务 器 模 式 的 结 构 中, 操 作 系 统 大 部 分 功 能 是 由 相 对 独 立 的 服 务 器 来 实 现 的, 用 户 可 以 根 据 需 要, 选 配 其 中 的 部 分 或 全 部 服 务 器 ; 而 且 还 可 随 着 计 算 机 硬 件 和 操 作 系 统 技 术 的 发 展, 相 应 地 更 新 服 务 器 (2) 提 高 了 操 作 系 统 的 可 靠 性 由 于 所 有 的 服 务 器 都 是 运 行 在 用 户 态, 它 们 不 能 直 接 访 问 硬 件, 因 此, 当 某 些 服 务 器 出 现 错 误 时, 通 常 仅 仅 影 响 它 们 本 身, 不 会 导 致 整 个 系 统 瘫 痪 (3) 可 运 行 于 分 布 式 系 统 中 基 于 客 户 / 服 务 器 模 式 的 操 作 系 统, 既 可 用 于 单 处 理 机 操 作 系 统 中, 又 适 用 于 计 算 机 网 络 和 分 布 式 系 统 中 客 户 与 服 务 器 之 间 的 通 信 就 是 先 由 客 户 机 发 送 消 息, 然 后 再 接 收 服 务 器 发 来 的 响 应 2. 面 向 对 象 的 程 序 设 计 技 术 (Object-Orientated Programming) 科 学 出 版 社 1) 面 向 对 象 技 术 的 基 本 概 念 面 向 对 象 技 术 是 20 世 纪 80 年 代 初 出 现 并 很 快 流 行 起 来 的 该 技 术 是 基 于 抽 象 和 隐 蔽 原 则 来 控 制 大 型 软 件 的 复 杂 度 的 所 谓 对 象, 是 指 在 现 实 世 界 中 具 有 相 同 属 性 服 从 相 同 规 则 的 一 系 列 事 物 的 抽 象, 而 把 其 中 的 具 体 事 物 称 为 对 象 的 实 例 操 作 系