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考研计算机基础课程—操作系统电子讲义.pdf
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第1章操作系统概述 1.1操作系统的概念、特征、功能和提供的服务 1.1.1操作系统的概念 操作系统是计算机系统中最重要、最基本的系统软件,操作系统位于硬件和用户程序之间。一方面,它能向用户提供使用计算机的接口;另一方面,它能管理计算机软硬件资源,提高其利用率;再者,利用虚拟技术,扩展了计算机的功能和使用范围。因此,操作系统的定义为:操作系统是控制和管理计算机软、硬件资源,以尽可能合理、高效的方法为不同用户及其应用程序提供服务的一种系统程序。 操作系统的目标 1)方便性(用户的观点)提供良好的、一致的用户接口,弥补硬件系统的类型和数量差别,使计算机更容易使用。 2)有效性(系统管理人员的观点)
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2019
文都计算机考研
操作系统
基础课程讲义
1
目录
第 1 章 操作系统概述..................................................................................................................................................... 2
1.1 操作系统的概念、特征、功能和提供的服务.......................................................................................................2
1.2 操作系统的发展与分类...........................................................................................................................................8
1.3 操作系统的运行环境.............................................................................................................................................16
1.4 操作系统体系结构................................................................................................................................................. 20
第 2 章 进程管理........................................................................................................................................................... 25
2.1 进程与线程............................................................................................................................................................. 25
2.2 处理机调度............................................................................................................................................................. 48
2.3 同步与互斥............................................................................................................................................................. 58
2.4 死锁......................................................................................................................................................................... 83
第 3 章 内存管理........................................................................................................................................................... 95
3.1 内存管理基础.........................................................................................................................................................95
3.2 虚拟内存管理....................................................................................................................................................... 117
第 4 章 文件管理......................................................................................................................................................... 129
4.1 文件系统基础.......................................................................................................................................................129
4.2 文件系统实现.......................................................................................................................................................143
4.3 磁盘组织与管理...................................................................................................................................................153
第 5 章 输入输出管理................................................................................................................................................. 157
5.1 I/O 管理概述.........................................................................................................................................................157
5.2 I/O 核心子系统.....................................................................................................................................................169
第 6 章 总结.................................................................................................................................................................... 177
2019
考研计算机基础课程—操作系统电子讲义
2
第
1
章 操作系统概述
1.1 操作系统的概念、特征、功能和提供的服务
1.1.1 操作系统的概念
操作系统是计算机系统中最重要、最基本的系统软件,操作系统位于硬件和用户程序之
间。一方面,它能向用户提供使用计算机的接口;另一方面,它能管理计算机软硬件资源,
提高其利用率;再者,利用虚拟技术,扩展了计算机的功能和使用范围。因此,操作系统的
定义为:操作系统是控制和管理计算机软、硬件资源,以尽可能合理、高效的方法为不同用
户及其应用程序提供服务的一种系统程序。
操作系统的目标
1)方便性(用户的观点)
提供良好的、一致的用户接口,弥补硬件系统的类型和数量差别,使计算机更容易使用。
2)有效性(系统管理人员的观点)
使 CPU、I/O 设备和存储空间得到有效利用;管理和分配硬件、软件资源,合理地组织
计算机的工作流程。
方便性和有效性是设计操作系统时最重要的两个目标。在过去的很长一段时间内,由于
计算机系统非常昂贵,因而其有效性显得比较重要。但是,近十多年来,随着硬件越来越便
宜,在设计配置在微机上的 OS 时,人们似乎更重视如何使用户能更为方便地使用计算机,
故在微机操作系统中都配置了受到用户广泛欢迎的图形用户界面,提供了大量的供程序员使
用的系统调用。
3)可扩充性
OS 应采用层次化结构,以便于增加新的功能层次和模块,并能修改老的功能层次和模
块。
4)开放性
遵循标准规范,方便地实现互连,实现应用的可移植性和互操作性。开放性是指系统能
遵循世界标准规范,特别是遵循开放系统互连(OSI)国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬
件和软件,均能彼此兼容,可方便地实现互连。开放性已成为 20 世纪 90 年代以后计算机
技术的一个核心问题,也是一个新推出的系统或软件能否被广泛应用的至关重要的因素。
2019
考研计算机基础课程—操作系统电子讲义
3
1.1.2 操作系统的特征
操作系统具有并发、共享、虚拟和不确定性四大特征。其中,最重要的是并发特征,其
他三个特征都是以并发为前提的。
(1)并发(Concurrence)
正是系统中的程序能并发执行这一特征,才使得 OS 能有效地提高系统中的资源利用率,
增加系统的吞吐量。
1. 并行与并发
并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻
发生。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
2. 引入进程
在一个未引入进程的系统中,在属于同一个应用程序的计算程序和 I/O 程序之间只能是
顺序执行,即只有在计算程序执行告一段落后,才允许 I/O 程序执行;反之,在程序执行 I/O
操作时,计算程序也不能执行。为计算程序和 I/O 程序分别建立一个进程(Process)后,这两
个进程便可并发执行。若对内存中的多个程序都分别建立一个进程,就可以并发执行,极大
地提高系统资源的利用率,增加吞吐量。
(2)共享(Sharing)
一般情况下的共享与操作系统环境下的共享其含义并不完全相同。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,相
应地,把这种资源共同使用称为资源共享,或称为资源复用。
1. 互斥共享方式
系统中的某些资源,如打印机、磁带机等,虽然可以提供给多个进程(线程)使用,但应
规定在一段时间内,只允许一个进程访问该资源。在系统中应建立一种机制,以保证多个进
程对这类资源的互斥访问。
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。所谓
的“同时”,在单处理机环境下是宏观意义上的,而在微观上,这些进程对该资源的访问是
交替进行的。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备。一些用重入码编写的文
件也可以被“同时”共享,即允许若干个用户同时访问该文件。
(3)虚拟(Virtual)
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考研计算机基础课程—操作系统电子讲义
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操作系统中的所谓“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,仅是用户感觉上的
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两种方式实现 虚
拟技术,即时分复用技术和空分复用技术。
1. 时分复用技术
(1) 虚拟处理机技术。
(2) 虚拟设备技术。
2. 空分复用技术
20 世纪初,电信业中就已使用频分复用技术来提高信道的利用率。它是指将一个频率
范围比较宽的信道划分成多个频率范围较窄的信道(称为频带),其中的任何一个频带都仅供
一对用户通话。早期的频分复用技术只能将一条物理信道划分为几条到几十条话路,后来又
很快发展到成千上万条话路,每条话路供一对用户通话。在计算机中也把空分复用技术用于
对存储空间的管理,用以提高存储空间的利用率。
(4)异步(Asynchronism)
多道程序环境下,系统允许多个进程并发执行。单处理机环境下,由于系统中只有一台
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它进程打印,由于打印机属于临界资源,因
此正在执行的进程必须等待,并释放出处理机,直到打印机空闲,并再次获得处理机时,该
进程方能继续执行。由于资源等因素的限制,使进程的执行通常都不可能“一气呵成”,而
是以“停停走走”的方式运行。
1.1.3 操作系统的功能
引入 OS 的主要目的是,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
条不紊地、高效地运行,并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率,方便用户的使用。
传统的 OS 中应具有处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理等基本功能。为了方便
用户使用 OS,还需向用户提供方便的用户接口。
(1)处理机管理功能
1. 进程控制
2. 进程同步
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