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汤子瀛《计算机操作系统》（第4版）【教材精讲＋考研真题解析】讲义与视频课程【46.5小时高清视频】试读：
视频讲解教师简介
教材精讲赵剑锋，中国科学院信息工程研究所计算机系统结构专业博士，讲师，研究方向为计算机系统结构，主要讲授微型计算机原理与接口技术、C语言编程等课程，具有多年的授课实践经验，在学生评教中多次获得优秀。在科研项目方面，曾参与多项省部级以上重点项目和课题，发表多篇论文，能做到理论与实践相结合。
授课特点：感情充沛，重点突出，衔接流畅，通俗易懂。考研真题解析
文成，清华大学软件学院软件工程专业硕士，研究方向为大数据方向，对数据结构、计算机网络、操作系统、计算机组成原理等学科有着扎实的专业基础和深入研究，尤其擅长计算机联考辅导，曾在多家教育辅导机构开讲，对计算机考研的热点、趋势等有着深厚的研究。曾在各大期刊发表多篇论文，能够将计算机的专业理论知识与社会中的实践相结合。
授课特点：紧跟考点、举一反三、注重细节。
第一部分 教材精讲[视频讲解]
第一章 操作系统引论[视频讲解]
本章内容
1.1 操作系统的目标和作用
1.2 操作系统的发展过程
1.3 操作系统的基本特性
1.4 操作系统的主要功能
1.5 操作系统的结构设计1.1 操作系统的目标和作用
1.1.1 操作系统的目标
目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：
1．方便性
2．有效性
3．可扩充性
4．开放性
1.1.2 操作系统的作用
1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
OS作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS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，OS是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。图1-1 OS作为接口的示意图（1）命令方式。这是指由OS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。OS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）图形、窗口方式。用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。
2.OS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，OS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，OS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OS作用的观点，正是把OS作为计算机系统的资源管理者。
3.OS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。
1.1.3 推动操作系统发展的主要动力
1．不断提高计算机资源利用率
2．方便用户
3．器件的不断更新换代
4．计算机体系结构的不断发展1.2 操作系统的发展过程
1.2.1 无操作系统的计算机系统
1．人工操作方式
从第一台计算机诞生（1945年）到50年代中期的计算机，属于第一代，这时还未出现OS。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。（2）CPU等待人工操作。
2．脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式
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。（2）提高I/O速度。图1-2 脱机I/O示意图
1.2.2 单道批处理系统
1．单道批处理系统（Simple Batch Processing System）的处理过程图1-3 单道批处理系统的处理流程
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OS，严格地说，它只能算作是OS的前身而并非是现在人们所理解的OS。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。（2）顺序性。（3）单道性。
1.2.3 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，致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，在60年代中期又引入了多道程序设计技术，由此而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。
在OS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。图1-4（a）示出了单道程序的运行情况，从图可以看出：在t~t、t~t时间间隔2367内CPU空闲。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，从而保持了CPU处于忙碌状态。图1-4 单道和多道程序运行情况（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，因此在单道程序环境下，也必定造成内存的浪费。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，也必然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。（2）无序性。（3）调度性。
3．多道批处理系统的优缺点（1）资源利用率高。（2）系统吞吐量大。（3）平均周转时间长。（4）无交互能力。
4．多道批处理系统需要解决的问题（1）处理机管理问题。（2）内存管理问题。（3）I/O设备管理问题。（4）文件管理问题。（5）作业管理问题。
1.2.4 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OS。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。（2）共享主机。（3）便于用户上机。
2．分时系统实现中的关键问题
为实现分时系统，其中，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键入命令时，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，用户可继续键入下一条命令，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键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。
3．分时系统的特征（1）多路性。（2）独立性。（3）及时性。（4）交互性。
1.2.5 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（1）实时控制。（2）实时信息处理。
2．实时任务（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。
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：
a．开始截止时间——任务在某时间以前必须开始执行；
b．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。
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。1.3 操作系统的基本特性
1.3.1 并发（Concurrence）
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；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。
倘若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。
1.3.2 共享（Sharing）
在操作系统环境下，所谓共享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，应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请求进程A使用，此后若再有其它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。
1.3.3 虚拟（Virtual）
操作系统中的所谓“虚拟”，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OS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在专门为他服务。亦即，利用多道程序设计技术，把一台物理上的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．
1.3.4 异步性（Asynchronism）
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它某进程打印，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。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
1.4.1 处理机管理功能
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，立即撤消该进程，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、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。在现代OS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消（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（含线程）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W，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。
4．调度
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，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。当相互合作的进程(线程)处于同一计算机系统时，通常在它们之前是采用直接通信方式，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，以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。
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OS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，是从就绪线程队列中选出一个线程，把处理机分配给它。
1.4.2 存储器管理功能
1．内存分配
OS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涨，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这样的结构和功能：
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要的内存，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。
系统须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，还须与软件配合来完成。
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，程序中的其它地址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。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，用于实现下述各功能：（1）请求调入功能。（2）置换功能。
1.4.3 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，而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速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更为突出，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。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。
2．设备分配
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。
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。处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性，了解设备状态是否是空闲的，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。
1.4.4 文件管理功能
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～8KB。
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的组织，以实现方便的按名存取。即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，只须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。
3．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。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。
1.4.5 用户接口
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键入一条命令后，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，等待用户键入下一条命令。这样，用户可通过先后键入不同命令的方式，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
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惟一途径。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OS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。但在近几年所推出的操作系统中，如UNIX、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OS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，这既不方便又花时间，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，从而把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
1.5.1 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和程序的集合，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。
1.5.2 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OS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OS结构的更新换代。这里，我们把第一代至第三代的OS结构，称为传统的OS结构，而把微内核的OS结构称为现代OS结构。
1．无结构操作系统
在早期开发操作系统时，设计者只是把他的注意力放在功能的实现和获得高的效率上，缺乏首尾一致的设计思想。此时的OS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OS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，以便于有效地利用内存、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。这一方面会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OS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OS具有较清晰的结构，OS不再是由众多的过程直接构成，而是将OS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1-5示出了由模块、子模块等组成的模块化OS结构。图1-5 模块化操作系统结构（2）模块化OS的优缺点
优点：
①提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。
②增强了OS的可适应性。
③加速了OS的开发过程。
模块化结构设计的缺点有二。首先，在开始设计OS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OS时发生困难；其次，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OS结构变得不清晰。
3．分层式OS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，由于A是建立在完全确定的物理机器上的，在经过精11心设计和几乎是穷尽无遗的测试后，可以认为A是正确的；然后再1在A上添加一层新软件A，……，如此一层一层地自底向上增添软件12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OS。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时，由于它只使用了物理机器提供的功能，因此它将与其1所有的高层软件A，……，A无关； 同样在调试A时，它也只使用了2n2A和物理机器所提供的功能，而与其高层软件A， ……，A无关，这13n样，一旦发现A出现错误时，通常该错误只会局限于A，因为它与所ii有其高层的软件无关，而A层以下的各层软件，又都经过仔细的调试。i（2）层次的设置
①程序嵌套。通常OS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OS层次时，首先要考虑在实现OS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，进程控制模块又须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层软件能直接在物理机器上运行，故它有最高的运行速度。1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层软n件的运行速度最低。为了提高OS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层，如时钟管理、进程调度，通常都放1在A层。1（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，不然，会使比它低的层次模块由于无法调用它而须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），OS向用户提供了“用户与OS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OS的最高层，直接提供给用户使用。
1.5.3 微内核OS结构
1．客户/服务器模式（Client-Server Model）
基本概念
为了提高OS的灵活性和可扩充性而将OS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），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。操作系统的另一部分是内核，用来处理客户和服务器之间的通信，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；同时它也接收服务器的应答，并将此应答回送给请求客户。此外，在内核中还应具有其它一些机构，用于实现与硬件紧密相关的和一些较基本的功能。图1-6 单机环境下的客户/服务器模式
2．面向对象的程序设计技术（Object-Orientated Programming）（1）面向对象技术的基本概念
面向对象技术是20世纪80年代初提出并很快流行起来的。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。OS中的各类实体如进程、线程、消息、存储器等，都使用了对象这一概念，相应地，便有进程对象线程对象、存储器对象等。（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。
②提高了OS的可靠性。
③可运行于分布式系统中。数据结构过程1过程2过程3图1-7 一个对象的示意图（3）面向对象技术的优点
①可修改性和可扩充性。由于隐蔽了表示实体的数据和操作，因而可以改变对象的表示而不会影响其它部分，从而可以方便地改变老的对象和增加新的对象。
②继承性。继承性是面向对象技术所具有的重要特性。继承性是指子对象可以继承父对象的属性，这样，在创建一个新的对象时，便可减少大量的时空开销。
③正确性和可靠性。由于对象是构成操作系统的基本单元，可以独立地对它进行测试，这样，比较易于保证其正确性和可靠性，从而比较容易保证整个系统的正确性和可靠性。
3．微内核技术（1）微内核技术的引入
所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般的OS（程序）不同，它更小更精炼，它不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存。微内核并非是一个完整的OS，而只是为构建通用OS提供一个重要基础。由于在微内核OS结构中，通常都采用了客户/服务器模式，因此OS的大部分功能和服务，都是由若干服务器来提供的，如文件服务器、作业服务器和网络服务器等。
2）微内核的基本功能
微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、低级I/O功能。（1）进程管理。（2）存储器管理。（3）进程通信管理。（4）I/O设备管理。
第二章 进程的描述和控制[视频讲解]
本章内容
2.1 前趋图和程序执行
2.2 进程的描述
2.3 进程控制
2.4 进程同步
2.5 经典进程的同步问题
2.6 进程通信
2.7 线程(Threads)的基本概念
2.8 线程的实现2.1 前趋图和程序执行
2.1.1 前趋图
前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图，记为DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行的前后关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语句；结点间的有向边则用于表示两个结点之间存在的偏序(Partial Order)或前趋关系(Precedence Relation)“→”。→={(P,P)|P must complete ijibefore P may start}, 如果(P,P)∈→,可写成P→P，称P是P的直接前jijijij趋，而称P是P的直接后继。在前趋图中，把没有前趋的结点称为初ji始结点(Initial Node)，把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。
每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。
Ii→Ci→Pi和S1→S2→S3图2-1 前趋图
对于图2-1(a)所示的前趋图，存在下述前趋关系：
P→P,P→P,P→P,P→P,P→P,P→P,P→P,P→P,P12131425354647586→P,P→P,P→P87989
或表示为：
P={P,P,P,P,P,P,P,P,P}123456789
→={(P,P),(P,P),(P,P),(P,P),(P,P),(P,P),(P,P),(P,P),1213142535464758(P,P),(P,P),(P,P)}687989
应当注意，前趋图中必须不存在循环，但在图2-1(b)中却有着下述的前趋关系：
S→S,S→S2332
2.1.2 程序顺序执行
1．程序的顺序执行
仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。例如，在进行计算时，总须先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后才能打印计算结果。
S：a∶=x+y；1
S：b∶=a-5；2
S：c∶=b+1；3图2-2 程序顺序执行的前趋图
2．程序顺序执行时的特征（1）顺序性：（2）封闭性：（3）可再现性：
2.1.3 程序的并发执行及其特征
1．程序的并发执行图2-3 并发执行时的前趋图
在该例中存在下述前趋关系：
I→C，I→I，C→P，C→C，P→Piiii+1iiii+1ii+1
而I和C及P是重迭的，亦即在P和C以及I之间，可以并i+1ii-1i-1ii+1发执行。对于具有下述四条语句的程序段：
S；a∶=x+21
S；b∶=y+42
S；c∶=a+b3
S；d∶=c+b4图2-4 四条语句的前趋关系
2．程序并发执行时的特征（1）间断性（2）失去封闭性（3）不可再现性
例如，有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。程序A每执行一次时，都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一次时， 都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。（1）N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之前，此时得到的N值分别为n+1，n+1，0。（2）N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之后，此时得到的N值分别为n，0，1。（3）N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之间，此时得到的N值分别为n，n+1，0。2.2 进程的描述
2.2.1 进程的特征和定义
1．进程的定义
较典型的进程定义有：（1）进程是程序的一次执行。（2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。（3）进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
在引入了进程实体的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：“进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位”。
2．进程的特征（1）动态性（2）并发性 （3）独立性（4）异步性
2.2.2 进程的基本状态及转换
1．进程的三种基本状态（1）就绪(Ready)状态（2）执行状态（3）阻塞状态
2．三种基本状态的转换图2-5 进程的三种基本状态及其转换
3．创建状态和终止状态
为了满足进程控制块对数据及操作的完整性要求以及增强管理的灵活性，通常在系统中又为进程引入了两种常见的状态：创建状态和终止状态。（1）创建状态
如前所述，进程是由创建而产生。创建一个进程是个很复杂的过程，一般要通过多个步骤才能完成：如首先由进程申请一个空白PCB，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息：然后为该进程分配运行时所必须的资源；最后，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。但如果进程所需的资源尚不能得到满足，比如系统尚无足够的内存使进程无法装入其中，此时创建工作尚未完成，进程不能被调度运行，于是把此时进程所处的状态称为创建状态。引入创建状态是为了保证进程的调度必须在创建工作完成后进行，以确保对进程控制块操作的完整性。同时，创建状态的引入也增加了管理的灵活性，OS可以根据系统性能或主存容量的限制推迟新进程的提交（创建状态）。对于处于创建状态的进程，当其获得了所需的资源以及对其PCB的初始化工作完成后，便可由创建状态转入就绪状态。（2）终止状态
进程的终止也要通过两个步骤：首先，是等待操作系统进行善后处理，最后将其PCB清零，并将PCB空间返还系统。当一个进程到达了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结，它将进入终止状态。进入终止态的进程以后不能再执行，但在操作系统中依然保留一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其他进程收集。一旦其他进程完成了对其信息的提取之后，操作系统将删除该进程，即将其PCB清零，并将该空白PCB返还系统。图2-6示出了增加了创建状态和终止状态后进程的五种状态及转换关系图。图2-6 进程的五种基本状态及转换
2.2.3 挂起操作和进程状态的转换
在许多系统中，进程除了就绪、执行和阻塞三种最基本的状态外，为了系统和用户观察和分析进程的需要，还引入了一个对进程的重要操作——挂起操作。（1）挂起操作的引入挂起操作的原因，是基于系统和用户的如下需要：
①终端用户的需要。当终端用户在自己的程序运行期间发现有可疑问题，希望暂停自己的程序的运行，使之停止下来，以便用户研究其执行情况或对程序进行修改。
②父进程请求。有时父进程希望挂起自己的某个子进程，以便考查和修改该子进程，或者协调各子进程间的活动。
③负荷调节的需要。当实时系统中的工作负荷较重，已可能影响到对实时任务的控制时，可由系统把一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。
④操作系统的需要。操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。（2）引入挂起原语操作后三个进程状态的转换
在引入挂起原语Suspend和激活原语Active后，在它们的作用下，进程将可能发生以下几种状态的转换：
①活动就绪→静止就绪。
②活动阻塞→静止阻塞。
③静止就绪→活动就绪。
④静止阻塞→活动阻塞。图2-7 具有挂起状态的进程状态图
3．引入挂起操作后五个进程状态的转换
如图2-8示出了增加了创建状态和终止状态后具有挂起状态的进程状态及转换图。图2-8 具有创建、终止和挂起状态的进程状态图
2.2.4 进程管理中的数据结构
1．操作系统中用于管理控制的数据结构
在计算机系统中，对于每个资源和每个进程都设置了一个数据结构，用于表征其实体，我们称之为资源信息表或进程信息表，其中包含了资源或进程的标识、描述、状态等信息以及一批指针。通过这些指针，可以将同类资源或进程的信息表，或者同一进程所占用的资源信息表分类链接成不同的队列，便于操作系统进行查找。如图2-9所示，OS管理的这些数据结构一般分为以下四类：内存表、设备表、文件表和用于进程管理的进程表，通常进程表又被称为进程控制块PCB。本节着重介绍PCB，其它的表将在后面的章节中陆续介绍。图2-9 操作系统控制表的一般结构
2．进程控制块PCB的作用
为了便于系统描述和管理进程的运行，在OS的核心为每个进程专门定义了一个数据结构——进程控制块PCB（Process Control Block）。PCB作为进程实体的一部分，记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息，是操作系统中最重要的记录型数据结构。
3．进程控制块中的信息（1）进程标识符
进程标识符用于惟一地标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：
①内部标识符。在所有的操作系统中，都为每一个进程赋予一个惟一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。
②外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户(进程)在访问该进程时使用。为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。（2）处理机状态
处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。
①通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有8~32个通用寄存器，在RISC结构的计算机中可超过 100个；
②指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址；
③程序状态字PSW，其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等；
④用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址。栈指针指向该栈的栈顶。（3）进程调度信息
在PCB中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息，包括：
①进程状态，指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据；
②进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机；
③进程调度所需的其它信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等；
④事件，是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。（4）进程控制信息
进程控制信息包括：
①程序和数据的地址，是指进程的程序和数据所在的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据；
②进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中；
③资源清单，是一张列出了除CPU以外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单；
④链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。
3．进程控制块的组织方式（1）线性方式，即将系统中所有的PCB都组织在一张线性表中，将该表的首址存放在内存的一个专用区域中。该方式实现简单、开销小，但每次查找时都需要扫描整张表，因此适合进程数目不多的系统。图2-10示出了线性表的PCB组织方式。图2-10 PCB线性表示意图（2）链接方式，即把具有相同状态进程的PCB分别通过PCB中的链接字链接成一个队列。图2-11 PCB链接队列示意图（3）索引方式，即系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表，例如，就绪索引表、阻塞索引表等，并把各索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中。2.3 进程控制
进程控制是进程管理中最基本的功能，主要包括创建新进程、终止已完成的进程、将因发生异常情况而无法继续运行的进程置于阻塞状态、负责进程运行中的状态转换等功能。
如当一个正在执行的进程因等待某事件而暂时不能继续执行时，将其转变为阻塞状态，而在该进程所期待的事件出现后，又将该进程转换为就绪状态等。进程控制一般是由OS的内核中的原语来实现的。
2.3.1 操作系统内核
现代操作系统一般将OS划分为若干层次，再将OS的不同功能分别设置在不同的层次中。通常将一些与硬件紧密相关的模块（如中断处理程序等）、各种常用设备的驱动程序以及运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度和许多模块所公用的一些基本操作），都安排在紧靠硬件的软件层次中，将它们常驻内存，即通常被称为的OS内核。这种安排方式的目的在于两方面：一是便于对这些软件进行保护，防止遭受其他应用程序的破坏；二是可以提高OS的运行效率。
相对应的是，为了防止OS本身及关键数据（如PCB等）遭受到应用程序有意或无意的破坏，通常也将处理机的执行状态分成系统态和用户态两种：
①系统态：又称为管态，也称为内核态。它具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区，传统的OS都在系统态运行。
②用户态：又称为目态。它是具有较低特权的执行状态，仅能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区。一般情况下，应用程序只能在用户态运行，不能去执行OS指令及访问OS区域，这样可以防止应用程序对OS的破坏。
总体而言，不同类型和规模的OS，它们的内核所包含的功能间存在着一定的差异，但大多数OS内核都包含了以下两大方面的功能：（1）支撑功能
该功能是提供给OS其它众多模块所需要的一些基本功能，以便支撑这些模块工作。其中三种最基本的支撑功能是：中断处理、时钟管理和原语操作。
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