1、操作系统操作系统 演讲人 2021-05-21 01. 02. 03. 04. 05. 目录 绪论 进程管理 内存管理 文件管理 设备管理 01 绪论绪论 绪论 操作系统概念 绪论 操作系统概念 运行环 境 体系结 构 基本概 念 发展过 程 分类 各类观点 特征 功能 接口 基本概念 各类观点 u用户观点：为了使用户更好的进行单人工作 u系统观点：操作系统是计算机的资源管理程序 u进程观点：控制协调进程的运行 u虚拟机观点：操作系统为用户提供更多服务功能和良好的工作环境 基本概念 特征 u并发性 u共享性 u异步性 u虚拟性 基本概念 功能 u处理器管理 u设备管理 u文件管理 u存储器管理
2、 u用户接口 基本概念 接口 u命令接口 u程序接口 u图形接口 基本概念 操作系统概 念 发展过程 无操作系统单道操作系 统 多道操作系 统 01 批处理操作系统 02 分时操作系统 03 实时操作系统 04 其他 嵌入式 网络 集群 分布式 分类 操作系统概 念 运行环境 用户态与核 心态 中断与异常 系统调用 操作系统概 念 体系结构 模块组合结 构 层次结构 微内核结构 02 进程管理进程管理 进程管理 进程 线程 进程管理 进程 基本概念 01 进程控制（实 质就是处理器 对进程的各种 调度） 03 进程通信 02 进程异常 04 基本概念 定义：进程是处理器资源分配的基 本单位 结
3、构组成 PCB（程序控制块） 程序段 数据段 PCB（程序控制块） uPID（进程标识符） u进程当前状态 u进程队列指针 u程序和数据地址 u进程优先级 结构组成 PCB（程序控制块） uCPU现场保护区 u通信信息 u家族联系 u占用资源清单 结构组成 基本概念 特点 01 独立性 02 异步性 03 动态性 04 结构性 状态 u分支主题 基本概念 基本概念 组织方式 链式 索引表 三种通信系统 共享存储系统 消息传递系统 管道通信系统 共享存储系统 u申请共享空间 u各进程互斥的访问共享空间 u两种共享方式 三种通信系统 消息传递系统 u申请结构化的消息（消息头、消息体） u系统提供发
4、送/接收原语 u两种传递方式 三种通信系统 管道通信系统 u设置一个共享文件（管道）实质就是一个缓冲区 u各进程互斥的访问管道 u特点 三种通信系统 实现方法 互斥 同步 概念 什么是进程同步 什么是进程互斥 信号量 类型 应用 经典实例 同步与互斥 进程控制（实质就是 处理器对进程的各种 调度） 基本概念 A B 进程控制用原语 实现 进程控制就是实现 处理器对进程的状 态切换 进程控制（实质就是处 理器对进程的各种调度） 相关原语 创建 终止 唤醒 阻塞 切换5. 4. 3. 2. 1. 处理器调度 基本概念：按照某种算法选择一 种进程将处理机分配给他 切换方式与过程 处理器调度的时机 层
5、次及对比和关系 调服算法 切换方式与过程 u方式 u“调度”与“切换”的区别 u切换过程 u结论：调度、切换是有代价的 处理器调度 处理器调度的时机 u什么时候需要调度 u什么时候不能调度 处理器调度 层次及对比和关系 u低级调度（进程调度）：按某种算法，从就绪队列中选择一个进程分配给处理机 u中级调度（内存调度）：按某种算法，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调 回内存 u高级调度（作业调度）：按某种算法，从后备队列中选择合适的作业调回内存， 创建进程 处理器调度 调服算法 u六种调度算法及其对比 u调度算法的评价指标 处理器调度 死锁 概念：互相等待对方手里的资源，相互阻塞 产生的必要条件
6、 互斥条件：必须互斥的使用某个资源是才会发生死锁 不剥夺条件：各进程保持的资源只能主动释放，不能被其他进程强行剥夺 请求和保持条件：保持着某种资源不放，同时请求别的资源 循环等待：存在一种资源进程的等待链，循环未必死锁，死锁一定循环 死锁的处理 预防：破坏产生的条件（防患于未然） 避免： 检测和解除：允许死锁发生，系统负责检测并解除 饥饿/饿死 进程异常 死循环 进程异常 进程管理 线程 基本概念 01 实现方式 02 同步与控制 03 定义：线程是处理器调度的基本单位 特点 并发性 系统开销小 同一进程下的所有线程拥有的资源共享 调度快 基本概念 用户级：从用户视角能看到线程，由线程库实现（
7、实质是代码） 内核级：从操作系统看到的线程，由操作系统实现（内核级线 程才是处理机分配的单位） 组合模式 实现方式 多线程模型 一对一 多对一 多对多 一对一 u一个用户级线程映射到一个内核级线程 u优：并发度高 u缺：开销大 多线程模型 多对一 u多个用户级线程映射到一个内核级线程 u优：开销小 u缺：并发度低，容易被阻塞 多线程模型 多对多 uN个用户级线程映射到M个内核级线程（N=M） u集二者之所长 多线程模型 03 内存管理内存管理 内存概念 内存功能 内存管理 内存管理 内存概念 1 内存地址 2 存储单元 3 内存大小 字节/字 存储单元 按字节编址 按字编址 内存大小 内存管理
8、 内存功能 内存管理的分 配和回收 01 地址变换 02 存储保护 04 内存扩充 03 分配 连续分配方式：为用户分配的是连 续的空间 离散分配方式 碎片 连续分配方式：为用户分配的是连续的空间 u单一分区方式 u固定分区方式 u动态分区方式 分配 离散分配方式 u基本分页存储 u基本分段存储 u基本段页式存储 u快表 分配 碎片 u内部碎片：给的没用完 u外部碎片：太小给不了 分配 回收 01 空闲分区表 02 空闲分区链 03 回收前有相邻空闲区间 回收后有相邻空闲区间 回收前后都有相邻空闲区间 回收前后都没有相邻空闲区 间 回收可能存在的 问题 逻辑地址（相对地址）物理地址（绝对地址）
9、 地址变换 进程地址在内存中运行原理 u过程 u三种链接方式 u三种装入方式 变换方式 虚拟内存(实现虚拟性) 01 一个固定区 若干个覆盖区 覆盖技术 02 运用进程的中级调度，对磁 盘中的文件进行交换 磁盘分为文件区和交换区 交换技术 03 传统存储管理的特征和缺点 （连续分配、离散分配） 局部性原理 虚拟内存技术 虚拟存储技术 存储保护 设置上下限寄存器 利用重定位寄存器（基址寄存 器）、界地址寄存器（限长寄存 器） 04 文件管理文件管理 文件管理 01 文件概念：具有 文件名的一组相 关元素的集合 02 文件的层次结构 狗 03 文件属性 04 文件分类 05 文件操作 06 文件管
10、理 文件管理 文件的层次结构狗 01 用户接口文件目录系统 02 030405 存取控制验证 逻辑文件与文 件信息缓冲区 物理文件系统 文件管理 文件属性 名称 01 文件类 型 03 标识符 02 文件位 置 04 文件类型 内容上 数据项 记录 结构上 流式文件 记录式文件 文件管理 文件分类 按功能 按保护 级 按信息 流向 按数据形 式分类 按逻辑 结构 物理结 构 按功能 系统文件 用户文件 库文件 按保护级 只读文件 读写文件 执行文件 不保护文件 流入文件 输出文件 输入输出文件 按信息流 向 源文件 目标文件 可执行文件 按数据形 式分类 按逻辑结构 流式文件（无结构） 3 索
11、引顺序文件：两者结合 1 顺序文件 串结构 顺序结构 2 索引文件 单级索引 多级索引 记录式文件（有结构） 物理结构 连续分配 链接分配 索引分配 文件管理 文件操作 对非空闲磁盘 （内存） 01 磁盘调度算法 03 对空闲磁盘 （外存） 02 对空闲磁盘 （外存） 连续分配 02 01 缺点：不方便 文件拓展，容 易产生磁盘碎 片 优点：支持直 接访问和随机 访问，顺序访 问时读取速度 最快 链接分配 隐式链接 优点：不会产生磁盘碎片，磁盘 利用率高 缺点：不能随机访问，查找效率低 显式链接 文件分配表 优点：不会产生磁盘碎片，支持随机访问，磁盘 利用率更高 缺点：文件分配表需要占用一定空
12、间 索引分配 LOREM IPSUM LOREM IPSUM LOREM IPSUM 缺点：索引表需要占用一定空间，链式索 引需要多次读磁盘操作 优点：支持随机访问，易于实现文 件拓展 索引块 逻辑块号+物理块号 磁盘调度算 法 先来先服务 （FCFS） 最短寻找 时间优先 （SSTF） 扫描算法 /电梯算 法 （SCAN） C-LOOK LOOK算 法 C-SCAN 01 02 03 04 05 06 文件管理 文件管理 目录管理 共享及保护 存储空间管 理 文件控制模块（FCB）：目录中的每一条记录就是一个 FCB 目录管理 目录结构 01 不适用多用户系统 单级目录 02 两级目录 03 多级目录 （树形 目录结构） 04 无环图目录结构 05 设备管理设备管理 设备管理 感谢聆听感谢聆听
