計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)第三章操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的基本特性進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理操作系統(tǒng)概述01是一組主管并控制計(jì)算機(jī)操作、運(yùn)用和運(yùn)行硬件、軟件資源和提供公共服務(wù)來組織用戶交互的相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)軟件程序。是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)硬件系統(tǒng)的首次擴(kuò)充。是用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口，是計(jì)算機(jī)硬件和其他軟件的應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)的定義處理機(jī)管理功能創(chuàng)建和撤銷進(jìn)程（線程），對(duì)諸進(jìn)程（線程）的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程（線程）之間的信息交換，以及按照一定的算法把處理機(jī)分配給進(jìn)程（線程）。多道程序環(huán)境下，存儲(chǔ)器的分配、保護(hù)和擴(kuò)充。完成用戶的I/O請(qǐng)求，方便用戶使用各種設(shè)備，并提高設(shè)備的利用率。實(shí)現(xiàn)文件的存取、共享和保護(hù)。存儲(chǔ)器管理功能設(shè)備管理功能文件管理功能操作系統(tǒng)的功能批處理操作系統(tǒng)將用戶群的程序按一定的順序排列，統(tǒng)一交給計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、成批地處理這些作業(yè)，然后進(jìn)行結(jié)果輸出。分時(shí)操作系統(tǒng)一臺(tái)主機(jī)連接了若干個(gè)終端，每個(gè)終端有一個(gè)用戶在使用。用戶交互式地向系統(tǒng)提出命令請(qǐng)求，系統(tǒng)接受每個(gè)用戶的命令，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式處理服務(wù)請(qǐng)求，并通過交互方式在終端上向用戶顯示結(jié)果。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并在嚴(yán)格的時(shí)間范圍內(nèi)完成對(duì)該事件的處理。操作系統(tǒng)的分類基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的，是在各種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上按網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的軟件，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、安全、資源共享和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。大量的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)被連結(jié)在一起，可以獲得極高的運(yùn)算能力及廣泛的數(shù)據(jù)共享。操作系統(tǒng)的分類分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的基本特性02010204并發(fā)性并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)運(yùn)行著的程序。宏觀上在一段時(shí)間內(nèi)有多道程序在同時(shí)執(zhí)行，而微觀上這些程序是在交替執(zhí)行的。操作系統(tǒng)通過引入進(jìn)程和線程，使得程序能夠并發(fā)執(zhí)行。03共享性是指操作系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。互斥共享的資源稱為臨界資源，例如打印機(jī)等，在同一時(shí)間只允許一個(gè)進(jìn)程訪問，需要用同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)互斥訪問。共享可分為以下兩種資源共享方式：互斥共享方式和同時(shí)訪問方式。同時(shí)訪問的資源允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”對(duì)它們進(jìn)行訪問。共享性

虛擬性虛擬性是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)際存在的，而邏輯上對(duì)應(yīng)物是用戶感受到的。虛擬技術(shù)可應(yīng)用于不同級(jí)別，如虛擬處理器、虛擬內(nèi)存和虛擬外部設(shè)備等，操作系統(tǒng)的虛擬技術(shù)能大大方便用戶的使用和提高系統(tǒng)性能。0102異步性這意味著我們必須考慮在操作系統(tǒng)中可能出現(xiàn)與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤，通過進(jìn)程同步機(jī)制來解決這些問題。異步性是指操作系統(tǒng)允許多個(gè)并發(fā)活動(dòng)進(jìn)程的存在，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的，而是走走停停，以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。進(jìn)程管理03進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是程序的執(zhí)行過程。進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性等基本特征。進(jìn)程的狀態(tài)信息存儲(chǔ)在進(jìn)程控制塊PCB中，操作系統(tǒng)通過PCB對(duì)進(jìn)程實(shí)施控制和管理。進(jìn)程的概念進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換包括就緒→執(zhí)行、執(zhí)行→就緒、執(zhí)行→阻塞、阻塞→就緒。引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的典型事件包括進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程調(diào)度、時(shí)間片到、I/O請(qǐng)求等。進(jìn)程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)，包含進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符、處理機(jī)狀態(tài)、進(jìn)程調(diào)度信息和進(jìn)程控制信息等內(nèi)容。PCB的組織方式有線性方式、鏈接方式和索引方式三種。PCB的作用是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步與通信、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的控制與管理。進(jìn)程控制塊PCB010405060302常見的進(jìn)程調(diào)度算法有先來先服務(wù)FCFS、短作業(yè)優(yōu)先SJF、優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法PSA、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)RR和多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法MLFQ等。FCFS算法按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行服務(wù)，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致長(zhǎng)作業(yè)等待時(shí)間過長(zhǎng)。SJF算法以作業(yè)長(zhǎng)短作為選擇依據(jù)，追求最少的平均等待時(shí)間，但對(duì)長(zhǎng)作業(yè)不利。PSA算法根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，可以靈活調(diào)整以滿足不同需求，但需要合理設(shè)置優(yōu)先級(jí)。RR算法按照時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式調(diào)度進(jìn)程，兼顧長(zhǎng)短作業(yè)，但需要合理設(shè)置時(shí)間片大小。MLFQ算法根據(jù)進(jìn)程的歷史信息和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)較好的綜合性能，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。進(jìn)程調(diào)度算法內(nèi)存管理04動(dòng)態(tài)分配在程序裝入或運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地為其分配內(nèi)存空間，包括頁式分配、段式分配和段頁式分配三種方式。靜態(tài)分配在程序編譯或鏈接時(shí)確定程序在內(nèi)存中的位置，包括固定分區(qū)分配和可變分區(qū)分配兩種方式?；厥詹呗援?dāng)程序運(yùn)行結(jié)束或不再需要某塊內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)需要將其回收并重新分配給其他程序使用，包括直接回收和間接回收兩種方式。內(nèi)存的分配與回收內(nèi)存保護(hù)01為了確保各道程序都在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行，互不干擾，操作系統(tǒng)需要提供內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，如界地址保護(hù)、訪問權(quán)限保護(hù)等。內(nèi)存共享02允許多個(gè)程序共享內(nèi)存中同一區(qū)域的內(nèi)容，以提高內(nèi)存的利用率和程序的執(zhí)行效率。共享的方式包括基于頁面的共享、基于段的共享等。緩沖區(qū)管理03為了解決CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性，操作系統(tǒng)需要在內(nèi)存中開辟緩沖區(qū)來暫存數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)的管理策略包括單緩沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖和多緩沖等。內(nèi)存的保護(hù)與共享虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存的基本概念：虛擬內(nèi)存是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它將程序的邏輯地址空間與物理內(nèi)存分開，使得程序可以使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。請(qǐng)求分頁存儲(chǔ)管理：將程序的邏輯地址空間劃分為大小相等的頁面，當(dāng)程序需要裝入內(nèi)存時(shí)，只將部分頁面裝入內(nèi)存，其余頁面留在外存上。當(dāng)程序訪問到不在內(nèi)存的頁面時(shí)，產(chǎn)生缺頁中斷，由操作系統(tǒng)將所需頁面調(diào)入內(nèi)存。請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理：將程序的邏輯地址空間劃分為若干個(gè)大小不等的段，每個(gè)段定義了一組邏輯信息。請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理允許只裝入部分段，其余段留在外存上，在需要時(shí)再調(diào)入內(nèi)存。段頁式存儲(chǔ)管理：結(jié)合了分段和分頁兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，先將程序的邏輯地址空間劃分為若干個(gè)段，每個(gè)段內(nèi)再劃分為大小相等的頁面。這樣既便于實(shí)現(xiàn)段的共享和保護(hù)，又能利用分頁技術(shù)提高內(nèi)存的利用率。文件系統(tǒng)05文件是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位，通常是一組相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。文件的定義文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理文件和文件存儲(chǔ)空間的軟件組件，它提供了一種在計(jì)算機(jī)上組織、存儲(chǔ)和訪問文件的方式。文件系統(tǒng)的概念包括文件的創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉、刪除等操作，以及文件的組織和存儲(chǔ)管理。文件系統(tǒng)的功能文件與文件系統(tǒng)123文件的邏輯結(jié)構(gòu)是指從用戶觀點(diǎn)出發(fā)所觀察到的文件組織形式，是用戶可以直接處理的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)的定義包括流式文件和記錄式文件。流式文件是有序字符的集合，記錄式文件是一組有結(jié)構(gòu)的記錄的集合。邏輯結(jié)構(gòu)的類型流式文件適用于無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，如文本文件；記錄式文件適用于有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)庫(kù)文件。邏輯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)文件的邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)的定義文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在存儲(chǔ)設(shè)備上的存放方法，是操作系統(tǒng)針對(duì)文件的物理存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行管理和優(yōu)化的結(jié)果。物理結(jié)構(gòu)的類型包括連續(xù)結(jié)構(gòu)、鏈接結(jié)構(gòu)和索引結(jié)構(gòu)。連續(xù)結(jié)構(gòu)是將文件信息存放在一組連續(xù)的存儲(chǔ)塊中；鏈接結(jié)構(gòu)是將文件信息存放在非連續(xù)的存儲(chǔ)塊中，并通過指針鏈接起來；索引結(jié)構(gòu)是通過索引表來管理文件的存儲(chǔ)位置。物理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)適用于順序訪問的文件；鏈接結(jié)構(gòu)適用于非順序訪問且不需要經(jīng)常修改的文件；索引結(jié)構(gòu)適用于需要隨機(jī)訪問且經(jīng)常修改的文件。文件的物理結(jié)構(gòu)要點(diǎn)三目錄的概念目錄是文件系統(tǒng)中用于組織和管理文件的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它記錄了文件的名稱、位置、大小等屬性信息。要點(diǎn)一要點(diǎn)二目錄的結(jié)構(gòu)包括一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)、二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)和多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將所有文件都放在根目錄下；二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將文件按用戶分組，每個(gè)用戶都有自己的目錄；多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)采用樹形結(jié)構(gòu)，可以表示復(fù)雜的層次關(guān)系。目錄的管理包括目錄的創(chuàng)建、刪除、修改和遍歷等操作。操作系統(tǒng)提供了相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)這些操作，如mkdir()用于創(chuàng)建目錄，rmdir()用于刪除目錄等。要點(diǎn)三文件目錄管理設(shè)備管理06目標(biāo)設(shè)備識(shí)別與配置設(shè)備訪問控制設(shè)備故障處理設(shè)備管理的目標(biāo)和功能01020304確保設(shè)備的高效、可靠和安全使用，同時(shí)為用戶提供方便的設(shè)備使用接口。自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)的各類設(shè)備，并進(jìn)行相應(yīng)的配置和初始化。提供設(shè)備訪問接口，對(duì)用戶或應(yīng)用程序的設(shè)備訪問請(qǐng)求進(jìn)行控制和管理。監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷和處理。ABCD程序直接控制方式由用戶程序直接控制I/O操作，CPU等待I/O操作完成后才繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)指令。DMA控制方式在主存與設(shè)備之間開辟直接數(shù)據(jù)通路，由DMA控制器控制數(shù)據(jù)傳輸，減輕CPU負(fù)擔(dān)。通道控制方式通道是一個(gè)獨(dú)立于CPU的專管I/O操作的控制機(jī)構(gòu)，它可以控制多個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)I/O操作的并行處理。中斷控制方式當(dāng)I/O操作完成時(shí)，設(shè)備控制器通過中斷請(qǐng)求通知CPU，CPU響應(yīng)中斷后處理I/O操作結(jié)果。I/O控制方式03設(shè)備回收當(dāng)設(shè)備不再被使用或出現(xiàn)故障時(shí)，需要進(jìn)行設(shè)備回收操作，包括撤銷設(shè)備分配、關(guān)閉設(shè)備文件和釋放相關(guān)資源等。01設(shè)備分配策略根據(jù)設(shè)備的特性、用戶需求和系統(tǒng)性能等因素，制定合理的設(shè)備分配策略，如獨(dú)占分配、共享分配和虛擬分配等。02設(shè)備分配算法常