《操作系统》课程辅导（1）
（ 2001年09月21日）
第一章 操作系统引论
一、 什么是操作系统
操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。
解释：资源的概念
被计算机系统工作时所引用的一切客体都称为资源。这里所说的客体可能是处理机、设备、内存、外存等硬件，也可能是程序、数据、信息等软件。
为了资源可以被引用，资源都有名字。控制资源的使用，有两条资源管理命令：申请资源和释放资源。我们约定：申请命令在程序使用资源前发出，如果所申请的资源可以使用，则程序可立即得到该资源的使用权，称为程序占有该资源或把这个资源分配给申请它的程序。释放命令在程序使用资源后发出，表示程序放弃对于资源的使用权，称为程序释放该资源或把这个资源由占有它的程序处收回。
操作系统需要管理的资源一般多是下面三种类型：
单一资源--由一个资源实体组成的资源。如一台打字机、一台处理机等。根据单一资源被占用的情况，分为“空闲”和“工作”两个状态。
有限资源--由若干个相同的单一资源组成的资源集合。它的使用限制与集合中元素的个数有关，它可以被多次占用，也可以被不同的程序同时占用。如内存是由多个单一资源即单元构成的，是有限资源。
无穷资源--由无限多个相同单一资源组成的资源集合。如果有限资源中的元素个数多到充分够用，可以看作由无穷多个单一资源所组成。如当内存的容量无限大时，可以看成是无穷资源。
二、 操作系统的主要功能
操作系统主要有五大功能：
存储器管理��内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充。
处理机管理��作业和进程调度、进程控制和进程通信。
设备管理��缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性。
文件管理��文件存储空间的管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。
用户界面管理��命令界面、程序界面和图形界面。
三、 操作系统的特征
操作系统的特征就是：并发、共享、异步性。其中，并发是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行，注意，这是一个宏观上的概念。共享是指计算机系统中的资源被多个任务使用，例如共享内存、打印机等。异步与同步的概念相反，表示各程序在执行过程中“走走停停”的性质。
四、 操作系统的类型
一般来说，把操作系统分为如下几个类型：
多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络操作系统和分布式操作系统。
其中前三种是操作系统的常用分类，随着个人计算机时代的到来，以及计算机技术与通信技术的结合，才形成了个人机系统和网络操作系统，而分布式操作系统是比网络操作系统层次更高的操作系统，它使得网络用户在使用网络资源时，不需了解网上资源的位置，如同使用本地资源一样方便、快捷，这是分布式操作系统与网络操作系统的根本差别。这一节要弄清“分时”和“实时”的概念，分时系统和实时系统的使用特点及应用领域。
五、 操作系统的用户界面
操作系统的用户界面是操作系统与使用者的接口，现代操作系统通常提供三种界面：命令界面、图形界面和系统调用界面
以UNIX操作系统为例，它提供了上述三种用户界面。
UNIX命令的格式： 命令名 [选项] [参数]
例如：$ ls �l /user 命令中，ls是命令名（列文件目录），�l为一个选项(表示以长格式显示)，/user为一个参数（表示显示user下的文件）。
SCO UNIX的图形界面，请参考教材28页。
系统调用是操作系统内核与用户程序、应用程序之间的接口。在UNIX系统中，系统调用以C函数的形式出现的。它只能在C程序中使用，不能做为命令在终端输入。
六、 操作系统的发展历程
计算机从诞生至今的50多年里，计算机操作系统从无到有，经历了手工操作阶段、早期批处理阶段、多道批处理阶段，进而形成了分时、实时、个人机、网络、分布式以及多处理器等多个种类的操作系统。这里要知道“批处理”、“多道”的含义，理解其设计思想。
七、 操作系统的体系结构
操作系统是一个系统软件，为各种应用程序提供服务。这样一个大软件，它的结构一般有三种：单块结构、层次结构和微内核结构。
八、教学要求
(1) 牢固掌握操作系统的定义：操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。
记忆要点：
●操作系统是什么��是核心系统软件；
● 操作系统管什么��控制和管理系统内各种资源；
● 操作系统有何用��扩充硬件功能，方便用户使用。
(2) 牢固掌握操作系统的五大主要功能：存储器管理、处理机管理、设备管理、文件管理、用户接口管理。
(3) 清楚地了解操作系统所处的地位：是裸机之上的第一层软件，是建立其他所有软件的基础。
(4) 记住操作系统的基本特征：并发、共享和异步性。
理解模拟：并发��“大家都前进了”；
共享��“一件东西大家用”；
异步性��“你走我停”。
(5) 记住并理解操作系统的主要类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统、个人机系统、网络系统和分布式系统。
UNIX系统是著名的分时系统。
(6) 理解分时概念：主要是指若干并发程序对CPU时间的共享。
(7) 记住并明白UNIX命令行的一般格式：命令名 〔选项〕 〔参数〕
(8) 了解现代操作系统为用户提供的三种使用界面：命令界面、图形界面和系统调用界面。
(9) 了解分时系统和实时系统的特点。
第二章 进程管理
一、 进程的概念
进程是操作系统最基本的概念之一，引入这个概念，对于我们理解、描述和设计操作系统具有重要意义。这里我们把进程定义为：程序在并发环境中的执行过程。这里要注意进程与程序的关系，认识到它们是完全不同的概念，同时又有密切的联系。进程基本的五大特征是动态性、并发性、调度性、异步性和结构性。
二、 进程的状态及其转换
进程执行时的间断性决定了进程可能具有多种状态，事实上，运行的进程有三种基本状态：
运行态：进程分配到必要的资源，在处理机上执行时的状态。
就绪态：进程分配到必要的资源，还没有获得在处理机上执行的状态。
阻塞态：或称等待态，进程的执行受到了阻塞而处于暂停状态。
进程的动态性质决定了进程的状态不是固定的，它随着自身的推进和外界条件的变化而不断变化。进程状态之间的转换主要体现为：就绪进程被调度进入运行态，运行状态受阻塞转入阻塞状态，阻塞状态在阻塞消除后进入就绪状态等待调度，不能直接返回运行状态。在分时系统中，当时间片到期，正在执行的进程返回到就绪状态等待下一次调度。进程状态及其转换图见教材44页图2-6。
三、 进程的同步与互斥
进程的同步与互斥是指进程在推进时的相互制约关系。在多道程序系统中，由于资源共享与进程合作，这种进程间的制约称为可能。为了保证进程的正确运行以及相互合作的进程之间交换信息，需要进程之间的通信。
进程之间的制约关系体现为：进程的同步和互斥。
·进程同步：它主要源于进程合作，是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。为进程之间的直接制约关系。在多道环境下，这种进程间在执行次序上的协调是必不可少的。
·进程互斥：它主要源于资源共享，是进程之间的间接制约关系。在多道系统中，每次只允许一个进程访问的资源称为临界资源，进程互斥就是保证每次只有一个进程使用临界资源。
临界资源和临界区：一次只允许一个进程使用的共享资源称为临界资源，如打印机、公共变量等；而在每个进程中访问临界资源的程序段称为临界区。进程进入临界区要满足一定的条件，以保证临界资源的安全使用，系统的正常运行。
四、 多道程序设计
进程之间的制约关系是由于多道程序设计带来的，什么是多道程序设计呢？多道程序设计是在一台计算机上同时运行两个或更多个程序。多道程序打破了单道程序“闭关自守”的局面，计算机系统中的软、硬件资源为几道程序所共享，使得整个系统进入并发执行状态。多道程序设计思想带来了进程的同步和互斥等通信问题，同时也提高了系统资源利用率，增加了作业的吞吐量。
五、 进程的组成
进程通常由程序、程序所需数据和进程控制块（PCB）三部分组成。如45页图2-7。
PCB描述进程的执行情况。它与进程共存亡：创建进程、产生PCB、撤消进程、系统回收PCB。它包含进程的描述信息和控制信息，例如进程名、特征信息、进程状态信息、调度优先权、通信信息、中断现场保护、程序和数据地址等等。PCB是进程存在的唯一标志。也是系统管理和控制进程的依据。
六、 进程管理的基本命令
进程的管理主要包括创建进程、撤消进程、挂起进程、恢复进程、改变进程优先级、封锁进程、唤醒进程、调度进程等。
在UNIX系统中，进程的状态分为10种。相关的基本命令有：
ps��检查系统中当前存在的进程的状态。
sleep��使进程暂停执行一段时间（参数单位为秒）。
&��使键入的命令进入后台运行。
wait��等待后台进程结束。
kill��终止一个进程的运行。
nice��以不同的优先级执行一条命令。
七、 信号量和P、V操作
在多道系统中，信号量机制是一种有效的实现进程同步与互斥的工具。
信号量的值表示系统中某类资源的数目。若它大于0，则表示系统中当前可用资源的数量；若它小于0，表示系统中等待使用该资源的进程数目，即在该信号量队列上排队的PCB的个数。信号量的值是可变的，由P、V操作来改变。
PV操作是对信号量进行处理的操作过程，而且信号量只能由P、V操作来改变。
P操作是对信号量减1，意味着请求系统分配一个单位资源，若系统无可用资源，则现进程变为阻塞状态。
V操作是对信号量加1，意味着释放一个单位资源，加1后若信号量小于等于零，则从就绪对列中唤醒一个进程，执行V操作的进程继续执行。
同步和互斥都可以通过P、V操作来实现，而生产者-消费者问题则是它们的结合点。具体实现见教材64页。
八、 进程间的通信
进程通信是指进程间的信息交换。P、V操作做为进程的同步与互斥工具因信息交换量少，效率太低，称为低级通信。而高级通信则以较高的效率传送大批数据。
高级通信方式主要有：共享存储器、消息传递和管道文件。
九、教学要求
(1) 理解多道程序设计概念及其优点；
(2) 牢固掌握进程的概念��程序在并发环境中的执行过程。
(3) 深入理解进程最基本的属性是动态性和并发性。
(4) 掌握进程与程序的主要区别。
(5) 掌握进程的基本状态：运行态、就绪态、阻塞态。在什么条件下发生状态转换？
(6) 理解进程的一般组成，应深入理解进程控制块的作用。每个进程有惟一的进程控制块。
(7) 掌握进程同步与互斥的概念。简单理解：同步是伙伴，互斥是竞争。
(8) 掌握进程临界资源和临界区的概念，理解进入临界区的原则。
(9) 理解信号量概念，P、V操作执行的动作。
(10) 能用信号量和P、V操作实现简单的进程互斥或同步。解决此类问题的一般方式：
·根据问题给出的条件，确定进程有几个或几类；
·确定进程间的制约关系��是互斥，还是同步；
·各相关进程间通过什么信号量实现彼此的制约，标明信号量的含义和初值。
·用P、V操作写出相应的代码段。
·验证代码的正确性：设以不同的次序运行各进程，是否能保证问题的圆满解决。切忌 按固定顺序执行各进程。
(11) 理解进程的生存过程��创建-运行-阻塞-终止。
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