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1、Chapter 4操作系统,CS,ZJU4/4/2023,Overview,操作系统的定义操作系统的类型常见的操作系统操作系统的结构和组成Windows操作系统文件管理,2023/4/4,2,计算机科学基础,4.1 操作系统的定义,操作系统是计算机硬件和用户（其他软件和人）之间的接口，位于计算机系统核心的操作系统，它使得用户能够方便地操作计算机，能有效地对计算机软件和硬件资源进行管理和使用。,2023/4/4,3,计算机科学基础,4.2 操作系统的类型,操作系统有许多不同的分类方法，按照其使用环境和对程序执行的处理方式进行分类，可分为：实时系统单用户单任务系统单用户多任务系统多用户多任务系统分
2、布式系统并行系统,2023/4/4,4,计算机科学基础,实时系统实时操作系统要求在规定的时间内响应，并快速处理，其响应时间一般在毫秒、微秒级甚至更快。大多数实时操作系统是专用系统。实时操作系统本身对资源的使用和控制都必须优化以满足系统要求。,2023/4/4,5,计算机科学基础,单用户单任务系统计算机只能由一个人使用，且一次只能执行一个任务。大多数实时操作系统是专用系统。早前PC机的DOS（Disk OS）系统就是这种单用户单任务操作系统。虽然这种操作系统的效率低，但是系统对计算机硬件的要求不高。,2023/4/4,6,计算机科学基础,单用户多任务系统仍然只能支持一个人使用计算机，但允许同时执
3、行多个任务。目前最为常见的PC机操作系统，包括Windows、Apple公司的Mac OS、Linux。采用任务是一种分时处理技术，将CPU的执行时间划分为若干个时间片，在一个时间片内执行一个任务，在下一个时间片内执行另外一个任务，循环不息。可以在多个程序之间进行数据交换。由于需要支持多个任务，要在用户界面处理、系统资源的分配和调度等方面进行大量的处理，因此整个系统比较庞大，且比较复杂。,2023/4/4,7,计算机科学基础,多用户多任务系统允许多个用户使用一台主机，而且支持每个用户的多任务处理。早期硬件资源非常昂贵，多采用使用主机的多用户多任务系统，这种结构演变到今天就是网络服务器，终端工作
4、站变成了PC机。最早的操作系统UNIX就是多用户系统，今天它也是高端网络服务器的操作系统，而Windows的服务器版也具有这种功能。,2023/4/4,8,计算机科学基础,并行系统并行操作系统是针对计算机系统的多处理器要求设计的，它除了完成单一处理器系统同样的作业与进程控制任务外，还需要完成在系统的多个处理器之间活动的分配、调度。并行系统要解决“负载平衡”（Load Balancing）问题和“缩放”问题。,2023/4/4,9,计算机科学基础,分布式系统通过网络将物理上分布（分散）的具有独立功能的计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。侧重且扩大了操作系统对网络
5、资源的控制范围，并实现统一控制。“云计算”。,2023/4/4,10,计算机科学基础,4.3 常见的操作系统,MS-DOS单用户操作系统。DOS采用字符界面，其中的命令一般都是英文单词或缩写。由于DOS系统有广泛的用户群，在Windows中成为一个任务（命令提示符窗口）被保留下来。,2023/4/4,11,计算机科学基础,Windows基于图形用户界面(GUI)的操作系统。它可以同时运行多个应用程序(多任务)众多版本Windows 3.X、Windows NT、Windows 95、97、98Windows 7个人版、专业版、企业版，乃至支持庞大用户量的数据中心版。,2023/4/4,12,计
6、算机科学基础,UNIX/LinuxUNIX是非常著名的多用户多任务分时操作系统。UNIX不仅是一个运行可靠、稳定的系统，而且由其开创的操作系统技术一直为其他操作系统所遵循，因此它成了事实上的标准。Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统。Linux被认为是一种高性能、低开支的，可以替换其他昂贵操作系统的软件。劣势在于需要更多的修补，且其运行应用程序的数量远没有Windows那么多。,2023/4/4,13,计算机科学基础,Mac OSMac OS是Apple公司为其Macintosh系列计算机设计的操作系统。早于Windows，且也是基于GUI的。具有很强的图形处理能力，被公认为
7、是最好的图形处理系统。,2023/4/4,14,计算机科学基础,移动设备操作系统Palm OS由最早生产PDA(个人数据助理)的Palm公司开发。Windows Mobile微软公司开发的适用于移动设备的Windows系统。Symbian OSNokia和Sony Ericsson等手机生产商联合开发的智能手机操作系统。AndroidGoogle公司收购了原开发商Android后，联合多家制造商推出的面向平板电脑、移动设备、智能手机的操作系统。基于Linux开放的源代码开发且仍然是免费系统。iOSApple公司为其生产的移动电话iPhone 开发的操作系统。,2023/4/4,15,计算机科学
8、基础,4.4 操作系统的结构和组成,各种类型操作系统的功能基本相同，其结构也差不多，只是实现方法不同。操作系统的结构基于软件的层次结构，把操作系统分为内核（Kernel）和用户接口（Shell）两层。操作系统的组成包括：进程管理、存储管理、文件管理和设备管理。,2023/4/4,16,计算机科学基础,层次结构：内核（kernel）包括操控计算机各种资源的基本模块、设备驱动（Device Driver、内存管理Kernel的调度程序决定哪一个任务被执行，控制程序为这些任务分配时间片。用户接口（shell）Shell（外壳程序）负责接收用户（包括用户执行的应用程序）的操作命令，并将这个命令解释后交
9、给Kernel去执行。Shell命令有两种方式，一种是会话式输入，另一种是命令文件方式。DOS的Shell叫命令解释器（Command）在Windows系统中Shell是“窗口管理器”,2023/4/4,17,计算机科学基础,PC机的操作系统已经发展成一个极为庞大和复杂的系统：它的内核相对稳定，其主要变化是为了适应处理器芯片功能的变化；而它的外壳则占到整个庞大系统的大部分。图形用户界面（GUI）改变了用户使用计算机的方式，而对界面的管理，则成了操作系统最主要的开销，一方面界面要美观、流畅，另一方面要为用户定制界面提供各种方案。,2023/4/4,18,计算机科学基础,功能组成：进程管理 存储器
10、管理设备管理文件管理,2023/4/4,19,计算机科学基础,进程管理 程序、作业和进程“程序”成为“作业”进而成为“进程”，并被按照一定规则进行调度。程序、作业和进程分别定义了计算机工作过程的不同状态。存放在磁盘上的程序看成它的一个静止状态。作业（Job）是程序的另一个状态，它是指程序从被选中运行直到运行结束的整个过程。当一个作业被选中后进入内存运行，这个作业就成为进程。所有的进程都是作业，但不是所有的作业都是进程。换言之，正在运行的程序才是进程。,2023/4/4,20,计算机科学基础,进程:程序的一次运行.现代操作系统支持多任务处理，成为进程的程序已经被调入内存，在一般情况下，CPU给每
11、个进程分配时间片并轮流去执行，也可以根据需要对进程进行调度。,2023/4/4,21,计算机科学基础,程序、作业和进程状态的转换过程,程序、作业和进程关系图,进程调度,一个进程是否被选中运行取决于调度算法：一种算法是，给每个进程设定优先级，CPU响应高级别的进程，在同等级别的情况下顺序执行；还有一类算法是，使得处理器和外设处于同时“忙”的状态，尽可能使系统“并行”，提高系统的运行效率；也有算法使得每个进程都得到“公平”的响应。,进程同步和死锁同步，即保证不同的进程使用不同的资源。死锁就是多个进程同时占有对方需要的资源而同时请求对方的资源，而它们在得到请求之前不会释放所占有的资源，即进程不能同步
12、。,2023/4/4,24,计算机科学基础,避免死锁的方法：当某个资源不空闲时，让需要这个资源的进程处于等待状态。限制进程占用资源的时间。发生死锁会导致系统处于无效等待状态，因此必须撤销其中的一个进程。例如在Windows中，可用“任务管理器”终止没有响应也就是无效的进程。,线程（Thread)进程概念的延伸。如果程序只有一个进程就可以处理所有的任务，那么它就是单一线程的。如果程序可以被分解为多个进程共同完成程序的任务，那么被分解的不同进程就叫做线程，也叫轻量级进程（Light Weight Processes）线程的模式可分为：单线程单元线程模式自由线程模式,2023/4/4,26,计算机科
13、学基础,存储器管理操作系统动态监控计算机内存空间的使用情况，当某个程序执行结束后，系统就会自动将它占用的内存单元收回以供其他程序使用。操作系统记录每个程序使用内存的情况，根据进程执行情况，不断变换内存空间的分配。存储器管理还负责管理内存、外存之间数据交换。内存管理内存和外存数据交换虚拟内存,2023/4/4,27,计算机科学基础,内存管理 操作系统的一个重要任务就是要解决“内存不足”以致程序无法运行的问题。存储器管理器（Memory Manage Unit，MMU）管理方式一般可以分为单道程序和多道程序方式。单道程序 运行的程序被整体装入内存运行，运行结束后再由一个新的程序使用内存。多道程序
14、操作系统在内存中装入多个程序并“同时”执行这些程序，由CPU轮流执行。,2023/4/4,28,计算机科学基础,单道程序：内存大部分被单一的程序所使用，内存中的另一个较小的部分是装载操作系统。多见于早期的计算机、专用计算机；存在的问题是：被运行的程序大小（Size）受到内存的限制。数据空间随着程序执行的进展而扩大，程序会出现运行异常。只能够运行一个程序。,2023/4/4,29,计算机科学基础,多道程序MMU需要给每一个程序（进程）分配内存空间，并将各个程序的内存地址传给进程管理器的进程表。按照内存和外存是否交换程序和数据进行划分，有两种实现多道程序的技术：非交换技术，程序运行期间全部在内存进
15、行，不和外存交换数据。交换技术，程序在运行期间需要和外存交换数据。,2023/4/4,30,计算机科学基础,多道程序技术类型,非交换技术,分区调度:内存被分成不定长的几个区,每个程序占有一个区,CPU按照进程调度在各个分区(程序)之间轮流执行.分页调度:对程序和内存都进行了划分内存被分成大小相等的”帧”，而程序被划分成与帧的大小相等的“页”，系统根据页的数量装载进帧中。它可以使用多种帧的组合实现内存分配的需要。,多道程序的分页调度,交换技术,请求分页调度:在分页调度技术的基础上，不必整体调入所有页，而根据程序运行情况确定。请求分段调度:程序执行的内存空间是动态决定被划分的。内存被划分成若干个段
16、，程序的一个执行部分（子程序）“段”被装载进内存运行。,内存和外存数据交换 MMU是操作系统的一部分，在操作系统中，MMU负责处理：何时将程序或数据从外存装载到内存中？CPU如何在内存中寻找所需要的程序和数据的地址。如何对内存分区或者分块，以存放不同的程序。,2023/4/4,35,计算机科学基础,MMU存储管理器,逻辑地址由CPU执行处理时形成MMU从CPU得到逻辑地址并转换成内存的实际物理地址,并发出控制信号将外存上的数据或程序与内存交换.,虚拟内存在磁盘上开辟一个比内存要大的空间（Windows建议为1.5倍），把被执行的程序装载到这个区域中，按照内存的结构进行组织，当需要调入内存时直接
17、进行映射操作，减少了数据转换过程。引入虚拟内存技术的好处可在较小的可用内存中执行较大的用户程序；可在内存中容纳更多程序并发执行；不必影响编程时的程序结构；提供给用户可用的虚拟内存空间通常大于物理内存(real memory)；,2023/4/4,37,计算机科学基础,虚拟内存原理,任何一个I/O设备都包含了设备硬件和使用这个设备的软件对操作系统而言，凡是接入计算机的设备都应该被纳入它的管理范围，问题：有成千上万种各式各样的设备，为每一个设备建立一个管理？不现实！不同设备访问策略 有效管理，是操作系统I/O设备管理的主要任务,2023/4/4,39,计算机科学基础,设备管理,I/O系统,操作系统
18、通常从种类繁多的I/O设备中抽象出一些通用类型,每个通用类型可以通过一组标准函数(即软件接口程序)来访问.具体的差别被内核模块(设备驱动程序)所封装.设备驱动程序一方面可以定制以适合各种设备,另一方面提供了一组标准接口.,两类设备,块设备（Block Device），如磁盘信息存储在固定长度块中每个块有自己的地址块大小一般在128到1024个字节之间字符设备，如键盘、鼠标器以字符为单位接收/发送不考虑结构这种划分的好处：处理设备的软件独立于设备抽象.如操作系统中可把设备当作文件进行管理,它只处理抽象的设备,而把对设备硬件的操作留给更底层的设备驱动程序去完成.,I/O内核,OS的I/O内核提供与
19、I/O有关的服务调度、缓冲、假脱机、设备预留及错误处理在硬件和设备驱动程序结构之上1I/O调度确定一个好的顺序来执行I/O请求，例如磁头的寻道2缓冲区设备之间、设备和应用程序间传输数据的内存区域3假脱机（Spooling）保存设备输出的缓冲，如打印过程,不能接收交叉的数据流.,设备驱动程序,OS不直接操纵设备，它是通过管理设备的驱动程序间接使用设备设备驱动程序(Device Driver)由生产设备的厂家提供，所有与设备相关的代码都放在设备驱动程序中如果设备的类型差别很小，系统可以屏蔽其差别，使用同一个程序代码操纵这个设备在计算机系统中，标准的设备如键盘、显示器、鼠标器等，OS默认使用标准的设
20、备驱动程序为用户提供这些设备的使用,时钟系统,时钟（Clock）定时器（Timer）提供系统时间防止一个进程垄断CPU或者其它资源特殊设备，也采用“设备驱动程序”硬件时钟是一个简单的晶体振荡器，它直接送入一个电子计数器，当计数器归零时向CPU发出一个中断号，然后再次进入计数过程。软件时钟-硬件时钟只提供一个时间间隔,其他工作都由软件来完成.建立并维护系统的时间和日期防止进程超时运行为计算机各系统提供定时器功能等,显示系统,显示系统存储映像终端：每个象素对应于显示存储器（视频存储器）的一个或几个存储单元OS对显示系统管理的主要任务就是向显存输出显示数据OS对视频终端的操作设备驱动程序：设置扫描频
21、率，设置显示分辨率等重要的问题显示过程需要不停的读出显示存储器的数据OS如何向显示存储器发送要显示的数据呢注意存储器不可能同时进行读写！解决之道：利用显示器行、帧回扫周期,4.5 Windows操作系统,在微机系统中，Windows占有绝对的市场份额。微软公司从1985年开始至今已经陆续发布了10多个版本，2011年的统计数据表明，PC机目前主要使用的是Windows XP和Windows 7。特点：使得计算机的操作、应用变得非常容易。基于图形用户界面和支持即插即用。运用了多种先进的技术。能处理多媒体信息，内置了多种网络协议。提供了应用程序接口（API）、设备驱动程序开发工具。在安全性上一直备
22、受批评，用户需要不断地从微软网站上下载“补丁”程序进行更新（Update）。,2023/4/4,46,计算机科学基础,Windows也使用了内核和外壳模型结构,2023/4/4,47,计算机科学基础,系统管理Windows有注册表、服务、管理规范3种管理机制。Windows的注册表是存放了系统和应用程序信息的一个表（数据库）。在命令行中输入regedit就可以打开Windows的注册表。注册表中的数据在系统启动、用户登录、应用程序启动这3个时间点上被读取。通常，安装或改变应用程序、设备驱动程序，或更改系统设置，都会影响注册表。启动和停机,2023/4/4,48,计算机科学基础,4.6 文件管理
23、,计算机无论其程序还是数据，都是以电子、磁或光等不同的物理形态表示并以位模式组织和存储的，用户是无法直接感受其存在的。因此一种抽象的、概念化的、易于理解的数据组织方式，不但为计算机所用，也使得用户可以不必关心其物理形态和存储模式，这种方式就是文件和文件系统。,2023/4/4,49,计算机科学基础,文件和文件系统文件的定义：计算机文件是一个存储在存储器上的数据的有序集合，并以一个名字标记。含义：存储在存储器上（外存储器）。数据之间有关联。有名字（按照规则命名）。文件系统管理计算机中所存储的程序和数据，负责为用户建立文件、删除文件、读/写文件、修改文件、复制文件、移动文件，负责完成对文件的按名存
24、取并进行存取控制。应具备以下功能：对计算机的外存空间进行统一管理，以便合理组织和存放文件。建立用户能够看见（显示或打印）的文件的逻辑结构。支持对存储设备上的文件进行检索、查找和提供文件的访问控制。,2023/4/4,50,计算机科学基础,给文件取名文件名以字母和数字的组合唯一标识一个文件。不同操作系统的文件命名规则也不同。,2023/4/4,51,计算机科学基础,2023/4/4,52,计算机科学基础,MS系统环境下的文件名是由字符和数字组成的，分三部分，格式为：.扩展名例如：C:TEXT.TXT C盘中的“text”的文件，扩展名为“.txt”中表示可以省略盘符存放文件的磁盘驱动器号A、B为
25、软盘，CZ为硬盘或光盘,2023/4/4,文件扩展名和通配符扩展名为由“.”开始的13个字符组成扩展名的一个重要作用是计算机的程序是根据它们判断其用途的。有些软件在创建文件的同时给出文件扩展名。MS系统中，使用文件的扩展名指示文件的基本属性，扩展名的一个重要作用是操作系统是根据它们判断其用途的，并对数据文件建立和程序的关联，在操作系统的注册表中有一个能被识别的文件类型的清单。,53,计算机科学基础,2023/4/4,54,计算机科学基础,通配符,“*”代表它所在位置为任意个任意字符“？”代表它所在位置为一个任一字符 如要查找文件类型为文本的文件，可输入*.txt 要查找以ab开始的Word文件
26、，可输入ab*.doc 要查找文件名为任意两个字符的任意类型文件?.*,2023/4/4,常用的文件类型执行文件.bat数据文件文档（Document）、电子表格、数据库数据文件等程序执行所需要的、或产生的其他文件都是数据文件 图形图像文件图形图像的数据存储也是按照一定的规则进行组织不同的图形图像程序使用不同格式的图形图像数据文件 视频文件 动画文件和影像文件,56,计算机科学基础,2023/4/4,目录结构从系统角度来看：文件系统是对文件存储器的存储空间进行组织、分配和回收，负责文件的存储、检索、共享和保护。从用户角度来看：文件系统主要是实现“按名存取”，用户只要知道所需文件的文件名，就可存
27、取文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方。MS DOS：使用“目录”（Directory）这个词Windows系统：目录被“文件夹”（folder）代替,57,计算机科学基础,2023/4/4,文件存取用户是通过对文件的存取实现对文件的操作的。文件存取方法决定了文件系统的检索策略。顺序存取只能按照一个接着一个的信息单位（或数据单位）进行存取，最典型的就是磁带文件存取过程；顺序文件不记载相关的地址信息，只根据文件结尾标志判断是否结束；随机存取在文件系统中随机存取文件或在文件中随机存取数据记录,需要先确定数据的位置信息,即需要知道数据记录的存储地址.。随机查找的方式主要有索引、哈希以及
28、二分法等，可以将关键字和数据记录关联；,58,计算机科学基础,索引文件,索引文件是为了检索需要建立的文件 把所有文件的关键信息如文件名或属性,以及这个文件的存放地址组织在一起,就构成检索文件的索引文件同样一个文件是记录关联数据的,把关键字和关联数据的存储地址对应组织起来就形成该数据文件的索引文件.索引文件存取数据的过程为：将索引文件调入计算机主存；根据关键字在索引文件中查找目标存储地址；根据所检索到的存储地址到文件系统或数据文件中查找；将查找到的结果返回给用户,哈希文件,哈希文件使用一个函数（算法）来完成关键字到存储器地址的映射，根据用户给出的关键字，经函数计算得到目标的地址，再进行目标的检索
29、 哈希的多种方法直接哈希法求模法数字析取法,哈希文件检索的地址映射,2023/4/4,文件的存储结构文件是如何存放在磁盘上的，即它的存储结构(物理结构)。簇（Cluster）几个相邻的磁道和扇区组成扇区组存储结构上，把一个扇区或一个簇当作一个存储单位一个文件可以使用一个或多个扇区或簇一个扇区或簇被一个文件存放了数据，哪怕存放了一位数据，这个扇区或簇就被标记为全部被这个文件所使用可以发现：系统提供的文件大小和存储空间不同原因。存储器的物理区块划分越小，存储器的使用率就越高划分得越细，管理这种划分需要的开销就越大扇区一般在512B到几KB之间选择,63,计算机科学基础,2023/4/4,FAT系统
30、不同的文件系统有不同的存储结构。FATFile Allocation Table，文件分配表。操作系统通过建立文件分配表FAT，记录磁盘上的每一个簇是否存放数据。FAT特点：小存储系统，系统开销小，系统损坏有可能被恢复。大容量系统，分区数目增加，性能迅速下降。三种类型：FAT12：磁盘容量在16MB以下FAT16：16MB到2GB4GB的磁盘。FAT32：512MB到2TB（2000GB）的磁盘空间，,64,计算机科学基础,FAT 表结构示意图,2023/4/4,NTFS系统微软首次使用内建的NT文件系统。Windows高版本推荐使用NTFS，也保留了FAT16和FAT32系统供用户安装时选择
31、。系统可存在NTFS盘的任何物理位置：意味着任何磁道损坏都不会导致整个磁盘不可用。支持的磁盘分区最大达16EB。提供了长文件名、支持大的分区和磁盘空间、扩展属性以及安全性等功能。,66,计算机科学基础,2023/4/4,文件系统安全吗？一个被大多数用户关心而又容易被忽视的问题，比起机器硬件，文件和数据的破坏更加糟糕。无论是什么原因导致文件系统损坏，恢复全部信息不但困难而且费时，大多数情况下往往是不可能！保护文件系统使用密码、存取权限以及建立更复杂的保护模型等备份是最佳方法系统常用的数据安全技术一般是RAID 由多个硬盘组成的硬盘组，在用户看起来，组成的硬盘组就像是一个硬盘。RAID技术的两大特
32、点：一是速度，二是安全。,67,计算机科学基础,2023/4/4,68,大学计算机基础2010,RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）：即廉价磁盘冗余阵列，是一种由多块硬盘构成的冗余阵列。利用RAID技术于存储系统的好处主要有以下三种：通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能 通过把数据分成多个数据块（Block）并行写入/读出多个磁盘以提高访问磁盘的速度 通过镜像或校验操作提供容错能力,思考题,什么是操作系统？它是如何分类的？什么是操作系统的Kernel，什么是操作系统的Shell？按照功能的观点，在操作系统的核心部分，有哪4种功能？什么是进程、作业和程序？它们之间的状态是如何转换的？什么是操作系统的内存管理？什么是虚拟内存？什么是计算机的文件和文件系统？Windows的文件系统有什么特点？如何提升文件系统的安全性？,2023/4/4,69,计算机科学基础,
