北邮操作系统官方课件：2017版计算机科学原理深入解析

最新推荐文章于 2025-05-10 01:27:17 发布

盛艺小豆丁

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简介：本课件是计算机科学与技术专业的重要教学资源，详细介绍了操作系统的核心概念及其在现代计算机系统中的作用。内容包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理、并发与同步、用户接口、安全性与稳定性、网络与分布式操作系统以及操作系统设计与实现等关键知识点。旨在帮助学生深入理解操作系统原理，为软件开发与系统分析提供扎实的基础。北邮操作系统2017版官方课件计科

1. 操作系统原理与计算机科学基础

操作系统是计算机硬件与用户之间的重要接口，它负责管理计算机系统资源，提供用户使用的环境，保证计算机的高效稳定运行。理解操作系统的基本原理是深入学习计算机科学的基石。

1.1 计算机科学简介

计算机科学是一门涵盖算法理论、程序设计、软件工程、硬件设计等众多子领域的综合性学科。它不仅关注理论研究，也致力于实际问题的解决和技术创新。

1.2 操作系统的核心功能

操作系统的核心功能包括：进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户接口。每一个功能都为确保多任务并发、资源合理分配和用户便捷操作提供了必要支持。

1.3 操作系统的类型与结构

操作系统按照不同的分类标准可以分为多种类型，如批处理、分时、实时和网络操作系统等。操作系统的结构一般分为单体结构、分层结构、微内核结构和虚拟机结构等。

1.4 操作系统的演化历史

从早期的简单批处理系统到现代具有图形用户界面的多用户操作系统，操作系统的演化反映了技术的进步和用户需求的变化。学习这些历史能够帮助我们更好地理解操作系统的发展趋势。

操作系统是计算机的灵魂，掌握其基本原理能够让我们更好地利用计算机资源，为解决复杂问题提供有力支撑。

2. 进程管理与状态转换

进程管理是操作系统中最为核心的组成部分之一，它涉及到进程的创建、执行、同步与通信以及终止等多个方面。在操作系统中，进程是一个执行中的程序实例，拥有程序代码和其当前的活动。进程管理的目标是高效、公平地使用CPU资源，以及实现进程间的协调工作。

2.1 进程的概念及其生命周期

2.1.1 进程的定义与特性

进程是操作系统资源分配和调度的一个独立单位。每个进程都拥有自己的地址空间，至少包含一个线程，并在执行时拥有系统资源。进程特性通常包括动态性、并发性、独立性、异步性和结构性。

动态性 ：进程具有生命周期，它由创建而产生，执行而活动，最后因终止而消亡。
并发性 ：多个进程在操作系统中可以同时存在并执行，但并非真正意义上的同时运行，通常是交错执行。
独立性 ：每个进程拥有自己的资源集合，且独立于其他进程。
异步性 ：进程的执行按照其自身内部速度独立推进，其执行顺序和速度不可预测。
结构性 ：进程结构由程序代码、数据集、PCB（进程控制块）等组成。

2.1.2 进程状态与转换

进程在生命周期中会经历多种状态，包括创建态、就绪态、运行态、等待态和终止态。状态转换发生在进程的不同执行阶段，通常由操作系统内核中的调度器来控制。

![进程状态转换图](***

创建态 *：进程正在被创建，操作系统为新进程分配资源、初始化PCB。 - 就绪态 ：进程获得除CPU之外所有资源，等待调度器分配CPU。 - 运行态 ：进程获得CPU，其程序正在执行。 - 等待态 ：进程因等待某一事件的发生而暂停执行，如I/O操作完成或获取到某个资源。 - 终止态**：进程完成执行或因故被终止，操作系统回收其资源并删除PCB。

2.2 进程控制与同步

2.2.1 进程控制块(PCB)

PCB是进程存在的唯一标识，包含了操作系统用于管理进程的所有信息。PCB通常包含以下信息：

进程标识符 ：唯一标识一个进程。
进程状态 ：当前状态（就绪、运行、等待等）。
程序计数器 ：进程即将执行的下一条指令的地址。
寄存器集合 ：用于暂存进程当前的工作环境。
CPU调度信息 ：优先级、调度队列指针等。
内存管理信息 ：如分页、分段等。
会计信息 ：如CPU使用时间、实际时间等。
I/O状态信息 ：分配给进程的I/O设备列表等。

2.2.2 进程间的同步与互斥

在多进程系统中，进程间同步与互斥是保障数据安全和资源访问一致性的重要机制。互斥是指当一个进程正在使用某一资源时，其他需要该资源的进程必须等待，直到该资源被释放。同步则是指多个进程必须按照一定顺序协作执行。

一个经典的同步问题——生产者-消费者问题，可以用信号量（一种用于进程间同步的工具）来解决。代码示例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

sem_t empty;
sem_t full;

pthread_mutex_t mutex;

void* producer(void* param) {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        sem_wait(&empty);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        buffer[in] = i;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Producer produced %d\n", i);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&full);
    }
}

void* consumer(void* param) {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        sem_wait(&full);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        int item = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Consumer consumed %d\n", item);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&empty);
    }
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);
    pthread_create(&thread1, NULL, &producer, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, &consumer, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    return 0;
}

在这个例子中， empty 信号量表示空位的数量， full 信号量表示满位的数量。生产者进程和消费者进程通过 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 实现对共享资源buffer的互斥访问。

2.3 调度算法与性能评估

2.3.1 调度策略的分类与选择

调度算法可以分为非抢占式和抢占式两种类型。非抢占式调度算法一旦进程获得CPU，它将一直运行直到完成或主动放弃。而抢占式调度算法允许更高优先级的进程打断当前进程的执行。

常见的调度算法有：

先来先服务（FCFS） ：按照进程到达的顺序进行调度。
短作业优先（SJF） ：选择执行时间最短的进程进行调度。
优先级调度 ：根据进程的优先级进行调度。
时间片轮转（RR） ：将时间划分成固定时间片，轮流分配给每个进程执行。

2.3.2 调度算法的性能评估指标

调度算法性能评估指标包括CPU利用率、系统吞吐量、周转时间和平均等待时间等。

CPU利用率 ：CPU实际工作时间与总时间的比例。
系统吞吐量 ：单位时间内完成的进程数。
周转时间 ：从作业提交到作业完成的时间间隔。
平均等待时间 ：所有进程等待时间的平均值。

这些指标有助于衡量调度策略的优劣，对系统性能进行评估和优化。

3. 内存管理技术与虚拟内存

3.1 内存分配策略

3.1.1 固定分区与动态分区分配

内存分配是操作系统中非常关键的功能，它负责将物理内存划分给不同的进程使用。最简单的内存分配策略是固定分区分配。在这种策略下，内存被划分为若干固定大小的区域，每个区域可以分配给一个进程。这种方式简单易懂，但是会造成内存的碎片化，导致浪费。随着进程的创建与销毁，未使用的分区会逐渐分裂成许多小的无法使用的片段，这称为外部碎片。

为了减少这种浪费，动态分区分配策略应运而生。在这种策略中，系统会根据进程的实际需求，动态地划分内存。当一个进程结束时，它所占用的内存被释放，可供其他进程使用。这种方式可以有效利用内存空间，减少碎片化的出现。但是，动态分区分配也会带来一些挑战，如内存紧凑问题和外部碎片化问题。

代码块示例：

// 假设这是内存分配器的伪代码
struct MemoryBlock {
    void* start;
    size_t size;
    bool is_free;
};

// 分配内存的函数
void* allocate_memory(size_t size) {
    // 寻找一个足够大的空闲块
    for (int i = 0; i < MEMORY_BLOCK_COUNT; ++i) {
        if (memory_blocks[i].is_free && memory_blocks[i].size >= size) {
            memory_blocks[i].is_free = false;
            return memory_blocks[i].start;
        }
    }
    return NULL; // 如果没有足够大的空闲块，返回NULL
}

3.1.2 分页与分段技术

分页和分段技术是两种更灵活的内存管理策略。分页技术将内存分割为固定大小的页框，每个进程的虚拟内存空间也被划分为同样大小的页。当进程需要访问其虚拟内存时，操作系统负责将相应的页映射到实际的物理页框中。这种方式有效地防止了外部碎片化，并且可以实现虚拟内存的实现。

分段技术则将内存分割为不同大小的段，每个段对应程序中的一个逻辑单位（如代码、数据等）。这样做的好处是可以让数据和代码按照实际的逻辑结构进行组织，提高了内存的利用率。

mermaid格式流程图展示分页机制：

flowchart LR
    A[进程请求虚拟页] -->|映射到| B(页表)
    B -->|页表项指向| C[物理页框]
    C -->|读写| D(数据)

分页和分段技术经常被组合使用，形成了一种灵活有效的内存管理方式。这种组合既可以利用分页避免外部碎片化，又可以利用分段的逻辑特性来组织内存。

3.2 虚拟内存系统

3.2.1 虚拟内存的工作原理

虚拟内存技术允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间。通过一种称为“按需分页”的技术，操作系统仅在需要时才将程序的一部分加载到物理内存中，而不需要时则将这些数据存储在硬盘上。虚拟内存系统为每个进程提供了一个独立的地址空间，即使实际的物理内存不足以容纳所有进程。

虚拟内存系统的工作原理主要依赖于几个关键组件：页表、内存管理单元(MMU)、缺页中断处理和页面置换算法。页表用于记录虚拟页与物理页框之间的映射关系，MMU则负责处理地址转换。当一个进程访问它的一个虚拟页时，如果这个页不在物理内存中，就会发生缺页中断。操作系统会捕获这个中断，根据页面置换算法选择一个页框并将其内容写回到硬盘，然后将需要的页加载到这个页框中。

表格展示虚拟内存的关键组件：

| 组件 | 作用 | |------------|--------------------------------------------| | 页表 | 存储虚拟页到物理页框的映射关系 | | MMU | 负责地址转换，将虚拟地址转换为物理地址 | | 缺页中断处理 | 当虚拟页不在物理内存时发生，操作系统进行处理 | | 页面置换算法 | 在物理内存已满时，用于选择替换的物理页框的算法 |

3.2.2 页面置换算法与实现

页面置换算法的主要目的是在物理内存已满时，选择一个页面进行替换。常见的页面置换算法包括先进先出(FIFO)、最近最少使用(LRU)、时钟置换算法等。

FIFO算法按照页面进入内存的顺序进行置换，简单但可能产生Belady异常，即在某些情况下，增加物理页框的数量反而会导致缺页率上升。LRU算法则选择最长时间未被访问的页进行置换，它能够提供更好的性能，但实现起来较为复杂。时钟置换算法则是一个近似LRU的算法，它使用一个循环队列（时钟）来管理页面，并周期性地移动指针。

代码块展示FIFO页面置换算法：

void FIFO_page_replacement(int pages[], int num_pages, int page_frames) {
    int queue[page_frames];
    int front = 0, rear = 0;
    int i, page_faults = 0;

    // 初始化队列
    for (i = 0; i < page_frames; i++) {
        queue[i] = -1; // 使用-1表示空位
    }

    for (i = 0; i < num_pages; i++) {
        int j;
        // 检查页是否已在物理内存中
        for (j = 0; j < page_frames; j++) {
            if (queue[j] == pages[i]) break;
        }

        if (j == page_frames) { // 页不在物理内存中
            page_faults++;
            // 替换队尾的页
            queue[rear] = pages[i];
            rear = (rear + 1) % page_frames;
        }
    }
    printf("Total page faults: %d\n", page_faults);
}

3.3 内存保护与共享

3.3.1 内存访问权限控制

内存保护是操作系统中的重要功能，它保证了进程之间不会相互干扰，每个进程的内存空间被严格隔离。访问权限控制是实现内存保护的一种方法，操作系统为每个内存页面或段定义了访问权限，如只读、只执行或可读写等。

当进程尝试访问其内存时，内存管理单元(MMU)会检查页表项中的权限位。如果进程试图执行不允许的操作（比如写入一个只读页面），MMU会触发一个保护违规异常。操作系统会捕获这个异常并采取相应措施，如终止违规进程。

3.3.2 共享内存的实现机制

共享内存是一种进程间通信机制，它允许两个或多个进程共享一块内存区域，以便高效地进行数据交换。在虚拟内存系统中，共享内存的实现机制通常涉及到内存映射文件。

内存映射文件是一种将文件内容直接映射到进程地址空间的技术。当多个进程映射到同一个文件时，它们实际上是共享这个文件在内存中的一个副本。操作系统会确保对共享内存的访问是同步的，以防止数据不一致。

示例代码展示共享内存的创建和使用：

int fd = open("shared_memory_file", O_CREAT | O_RDWR);
ftruncate(fd, sizeof(int)); // 设定共享内存大小

void* addr = mmap(0, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
int *value = (int*) addr;

// 现在两个进程可以访问和修改 value 指向的共享内存

在本章节中，我们详细介绍了内存管理技术与虚拟内存的相关知识。首先，我们探讨了内存分配策略，包括固定分区与动态分区分配，并且分析了分页与分段技术。接着，我们讨论了虚拟内存系统的工作原理，包括页面置换算法和它们的实现方式。最后，我们解释了内存保护与共享的机制，包括访问权限控制和共享内存的实现。通过本章节的介绍，读者应该对内存管理技术有了更深入的理解。

4. 文件系统的创建与管理

4.1 文件系统结构与元数据

文件系统的层次结构

在操作系统中，文件系统通常被组织成多个层次，以便于管理和访问存储在磁盘上的数据。文件系统的层次结构大致可以分为以下几个部分：

用户接口层 ：这是文件系统对外提供的接口层，包括文件的创建、删除、读取、写入以及目录操作等。用户和应用程序通过这些接口与文件系统进行交互。
逻辑文件系统层 ：这一层负责文件的逻辑结构管理，如文件名、文件属性（创建时间、修改时间等）以及文件的逻辑组织（文件的存储位置、长度等）。逻辑文件系统将用户的文件名和文件的物理位置转换为关联，确保用户可以通过逻辑名访问数据。
物理文件系统层 ：负责文件的物理存储管理。它处理文件数据在物理介质上的实际存放方式，这通常涉及到磁盘空间的分配和回收。
设备驱动层 ：提供与硬件交互的接口，负责将文件系统中的读写请求转化为对应硬件操作。
存储设备层 ：这一层包括实际存储数据的物理介质，如硬盘、固态硬盘、USB闪存驱动器等。

文件控制块(FCB)与目录结构

文件控制块（FCB）是文件系统中非常重要的数据结构，用于存储文件的元数据。元数据是指描述文件系统中数据的数据，例如：

文件名
文件的物理位置（如磁盘块号）
文件大小
创建时间
最后修改时间
文件的所有者
访问权限等

每个文件在文件系统中都有一个对应的FCB。FCB不仅使文件易于被用户访问，还帮助文件系统管理磁盘空间和维护数据的完整性。

目录结构则是用来组织和管理文件和子目录的层次体系。典型的目录结构是树状的，包含一个根目录和多个子目录。每个目录可以包含文件以及指向其他目录的链接（称为子目录）。

目录结构的设计对于文件系统的性能和灵活性有着重要的影响。它不仅决定了文件的命名空间，也影响了文件的搜索效率、权限控制以及数据的物理组织方式。

举例来说，一个典型的目录结构可能如下：

/
├── etc
│   ├── hosts
│   └── resolv.conf
├── home
│   ├── user1
│   │   └── documents
│   └── user2
│       └── music
├── opt
│   └── third_party
└── var
    ├── cache
    └── log

在这个结构中，根目录 / 包含了 etc 、 home 、 opt 和 var 等目录。每个目录下可以再包含其他文件或目录，形成一个树状的层次结构。

4.2 文件操作与I/O系统

文件的读写管理

文件的读写管理是文件系统的核心功能之一。基本的文件操作包括：

打开（Open）：加载文件到内存并返回一个文件描述符。
读取（Read）：从文件中读取数据。
写入（Write）：向文件中写入数据。
定位（Lseek）：改变当前文件读写位置。
关闭（Close）：释放系统资源并关闭文件。

这些操作通常通过系统调用或者文件操作API来完成。例如，在Unix/Linux系统中，可以使用 open() 、 read() 、 write() 、 lseek() 和 close() 系统调用来进行文件操作。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    const char *filename = "example.txt";
    int fd = open(filename, O_CREAT | O_RDWR, 0666); // 打开文件，不存在则创建
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 写入数据到文件
    const char *str = "Hello, World!\n";
    write(fd, str, 14);

    // 读取文件内容
    char buffer[1024];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, 1024);
    if (bytes_read > 0) {
        write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);
    }

    // 关闭文件描述符
    close(fd);
    return EXIT_SUCCESS;
}

该代码段首先尝试打开（或创建）名为 example.txt 的文件，并进行读写操作。接着，程序将字符串 "Hello, World!\n" 写入文件，并读取文件内容输出到标准输出。最后，关闭文件描述符。

文件I/O操作的性能对系统的总体性能有很大影响。因此，现代操作系统通常采用缓冲技术来减少磁盘I/O操作的次数，并提高数据传输的效率。

磁盘调度与缓存策略

磁盘调度是指根据某种算法对磁盘I/O请求进行排序，以减少寻道时间，提高磁盘I/O的效率。常见的磁盘调度算法有：

先来先服务（FCFS, First-Come, First-Served）
最短寻道时间优先（SSTF, Shortest Seek Time First）
扫描算法（SCAN）
循环扫描算法（C-SCAN）
LOOK算法和C-LOOK算法等

磁盘调度算法的选择依赖于应用的需求和磁盘的特性。比如，数据库系统可能更偏向于采用扫描算法，而通用文件系统则可能使用更简单的FCFS。

flowchart LR
    A[磁盘请求队列] -->|SSTF| B[磁盘调度]
    B -->|执行| C[磁盘驱动器]

缓存策略通过在内存中保留最近访问过的文件数据来提高文件系统的性能。当文件系统需要读写数据时，它首先检查缓存中是否已经有了需要的数据。如果缓存命中，就可以直接从内存读取或写入数据，而无需访问磁盘。这种缓存的命中率对于优化性能非常关键。

4.3 文件系统的安全与可靠性

文件系统的备份与恢复机制

文件系统的备份与恢复机制是确保数据安全的重要手段。备份是指定期或连续地复制文件系统中的所有或部分数据到另一个存储介质的过程。根据备份的范围和方式，备份策略通常可以分为以下几种：

完全备份（Full Backup）
增量备份（Incremental Backup）
差异备份（Differential Backup）

完全备份会复制所有数据，而增量备份仅备份自上次备份以来发生变化的数据，差异备份则备份自上次完全备份以来发生变化的数据。

恢复机制是指在数据丢失或文件系统损坏的情况下，通过备份数据恢复到特定状态的过程。恢复操作可以通过文件系统的快照功能或使用备份数据来完成。

访问控制与文件加密技术

访问控制是文件系统提供的一个安全特性，它决定了哪些用户和进程可以读取、写入或执行文件。访问控制列表（ACLs）和用户身份验证是常见的访问控制手段。

文件加密技术通过将文件数据进行加密处理，以保护文件内容不被未经授权的用户访问。常见的文件加密技术包括：

对称密钥加密（如AES）
非对称密钥加密（如RSA）
哈希函数

现代操作系统如Windows、macOS和Linux等都提供了文件加密的实现，比如BitLocker、FileVault和dm-crypt等。

通过以上章节的介绍，我们详细讨论了文件系统的结构与元数据、文件操作与I/O系统以及文件系统的安全与可靠性。这些知识为设计和实现一个高效的文件系统奠定了基础。在下一章节，我们将探讨设备管理与I/O控制方式，这是实现文件系统正常运转的另一关键技术领域。

5. 设备管理与I/O控制方式

设备管理是操作系统中的一项基础工作，它涉及到计算机系统中各种外围设备的管理，旨在高效、合理地使用各类设备，满足不同进程对设备的需求。I/O 控制是设备管理中的核心问题之一，其目的在于减少CPU与设备之间由于速度不匹配而产生的等待时间，提升整体的系统性能。本章将从设备的分类与管理、I/O控制技术以及设备的调度策略三个角度进行探讨。

5.1 设备的分类与管理

5.1.1 块设备与字符设备

在计算机系统中，外围设备通常被分类为块设备（block devices）和字符设备（character devices）。块设备以数据块为单位传输数据，支持随机访问，典型的块设备包括硬盘、固态硬盘等。字符设备则以字符流的方式传输数据，只支持顺序访问，如键盘和串口设备。

块设备的一个关键特性是数据传输的独立性，允许对任意数据块进行读写操作。因此，它们通常需要更复杂的调度算法来优化性能。字符设备由于传输数据的连续性，一般使用较为简单的缓冲技术。

5.1.2 设备驱动程序的作用与结构

设备驱动程序是操作系统中用来管理特定设备的软件组件。它负责初始化设备、处理中断、调度I/O请求以及错误处理等。驱动程序的主要功能是为上层应用屏蔽硬件的复杂性，提供统一的接口。

从结构上来看，一个设备驱动程序通常包括如下模块： - 初始化模块：负责设备的初始化和资源分配。 - I/O请求处理模块：响应上层应用或系统的I/O请求。 - 中断处理模块：响应设备中断，处理数据传输完成等事件。 - 设备控制命令处理模块：执行上层发送的控制命令，如读取设备状态、重置设备等。 - 错误处理模块：检测错误并进行处理。