第六讲 操作系统的运行模型

操作系统慕课版第六章首先，第六章介绍了进程的概念和特征。

进程是程序在执行过程中的实体，它包括了程序的代码、数据和执行状态等信息。

进程具有独立性、动态性和并发性等特征。

独立性指的是每个进程都拥有独立的地址空间，不会相互干扰；动态性指的是进程的创建、执行和终止都是动态的过程；并发性指的是多个进程可以同时执行，通过时间片轮转等调度算法进行切换。

其次，第六章介绍了进程的状态和状态转换。

进程可以处于就绪、执行和阻塞三种状态之一。

就绪状态表示进程已经具备执行的条件，等待系统调度执行；执行状态表示进程正在执行指令；阻塞状态表示进程由于等待某些事件而暂时无法执行。

进程在不同状态之间的转换是由操作系统进行调度和管理的。

第三，第六章介绍了进程的创建和终止。

进程的创建是通过fork()系统调用来实现的，它会创建一个与父进程相同的子进程，但是子进程有自己独立的地址空间。

进程的终止可以通过exit()系统调用来实现，它会释放进程所占用的资源，并通知父进程。

此外，第六章还介绍了进程的执行顺序和进程控制块等相关内容。

第四，第六章介绍了进程调度的算法和策略。

进程调度是操作系统中非常重要的一项功能，它决定了进程的执行顺序和分配时间片的方式。

常见的进程调度算法有先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、最高优先级调度（HPF）、时间片轮转调度（RR）等。

不同的调度算法有不同的优缺点，可以根据实际情况选择合适的调度策略。

第五，第六章还介绍了进程同步和互斥的概念。

在多进程环境中，进程之间可能会共享资源，为了避免竞争条件和死锁等问题，需要进行进程同步和互斥的操作。

常见的同步和互斥机制有信号量、互斥锁、条件变量等。

这些机制可以保证进程之间的有序执行和资源的合理分配。

总结起来，第六章主要介绍了进程管理的相关内容，包括进程的概念和特征、进程的状态和状态转换、进程的创建和终止、进程调度的算法和策略，以及进程同步和互斥的概念。

通过学习这些内容，我们可以更好地理解和掌握操作系统中的进程管理机制，提高系统的性能和资源利用率。

《操作系统》教案（第一至第五章）一、教案概述本教案主要针对《操作系统》课程的五个章节进行详细的教学设计，包括教学目标、教学内容、教学方法、教学步骤和教学评价等方面。

通过本教案的学习，学生将掌握操作系统的基本概念、原理和关键技术。

二、教学目标1. 了解操作系统的概念、发展和分类。

2. 掌握操作系统的主要功能和架构。

3. 理解进程管理、内存管理、文件管理和设备管理的基本原理。

4. 学习操作系统的设计方法和实现技术。

三、教学内容第一章：操作系统概述1. 操作系统的概念和发展历程2. 操作系统的目标和功能3. 操作系统的分类和特点第二章：操作系统架构1. 操作系统的主要组件2. 操作系统的层次结构3. 操作系统的接口和API第三章：进程管理1. 进程的概念和特性2. 进程的状态和转换3. 进程调度算法4. 进程同步与互斥5. 死锁与饥饿问题第四章：内存管理1. 内存分配与回收策略2. 内存分页和分段3. 虚拟内存技术4. 页面置换算法5. 内存保护机制第五章：文件管理1. 文件和目录的概念2. 文件系统的组织结构3. 文件存储分配策略4. 文件访问控制5. 磁盘空间管理和文件备份策略四、教学方法1. 讲授法：讲解基本概念、原理和关键技术。

2. 案例分析法：分析实际操作系统案例，加深对原理的理解。

3. 实验法：通过上机实验，巩固理论知识。

4. 小组讨论法：分组讨论问题，培养团队合作能力。

五、教学步骤1. 引导：介绍本章主题，激发学生兴趣。

2. 讲解：详细讲解本章的核心概念和原理。

3. 案例分析：分析实际案例，加深学生对原理的理解。

4. 练习与讨论：布置练习题，组织小组讨论。

5. 总结：对本章内容进行归纳和总结。

六、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的发言和提问情况。

2. 练习题：评估学生对知识的掌握程度。

3. 实验报告：评价学生的实践操作能力。

4. 小组讨论报告：评估学生的团队合作和沟通能力。

七、教学资源1. 教材：选用权威、实用的操作系统教材。

操作系统的运行原理与应用在现代计算机领域中，操作系统扮演着一个至关重要的角色。

如今，我们所使用的各种设备和应用都离不开操作系统的协助和支持。

而在人们的常规工作和学习生活之中，我们也常常需要理解和掌握操作系统的相关内容。

因此，在本文中我们将深入探讨操作系统的运行原理以及其在实际应用中的体现。

一、操作系统的运行原理1.1 操作系统的概念操作系统（Operating System）是计算机系统中与硬件直接打交道的系统软件。

它是软件和硬件之间的桥梁，负责管理和协调计算机系统中的所有资源，包括处理机、内存、外部设备以及程序等。

操作系统还提供了一种用户与计算机交互的接口，使得用户可以方便地使用计算机。

1.2 操作系统的作用操作系统可以说是计算机系统中最为重要的软件。

它对于计算机系统的正常运行和稳定性具有不可替代的作用。

操作系统主要有以下几个作用：1）资源管理：操作系统可以管理计算机系统中各种资源，包括处理器、存储器、输入/输出设备、文件等。

通过对这些资源进行管理，操作系统可以实现资源的分配、保护、调度和回收等功能；2）进程管理：操作系统负责管理系统中的进程（Program）。

它可以控制进程的创建、运行、暂停、恢复和终止等操作，以实现系统的协作和并发；3）内存管理：操作系统管理计算机中的内存资源，包括内存分配、回收、调度、交换、页式存储等操作，以保证系统可以高效地使用内存；4）输入/输出管理：操作系统可以管理计算机中的输入和输出设备，并控制数据的传输、缓存和恢复等操作；5）文件管理：操作系统还提供了对文件系统的支持，可以管理文件的创建、删除、修改、保护和共享等操作。

1.3 操作系统的架构操作系统的架构一般可以分为单体结构、层次结构、微内核结构和客户机结构等。

其中，微内核结构和客户机结构是操作系统设计的两种主流结构。

微内核结构将操作系统核心的基础功能拆分为若干个小型服务，这些服务运行在操作系统的最底层，提供了一系列的基本服务，包括中断处理、进程管理、通信机制等。

操作系统的系统性能模型操作系统的系统性能模型是对系统中各种资源及其相互关系的量化分析，用于评估系统的性能表现和优化系统运行效率。

系统性能模型可以帮助开发人员和系统管理员更好地了解系统资源的利用情况，发现瓶颈并提出改进建议。

在操作系统中，系统性能模型通常包括以下几个方面：1. 资源利用率：通过监测系统中各种资源的利用率（如CPU、内存、磁盘、网络等），可以了解系统资源的分布和使用情况。

例如，CPU利用率高可能表明系统存在CPU密集型任务，内存利用率高可能表示系统内存较小或存在内存泄漏等问题。

2. 吞吐量：吞吐量是指系统在单位时间内能够处理的任务数量或数据量。

通过监测系统的吞吐量，可以评估系统处理能力的强弱，发现系统的瓶颈并进行优化。

例如，提高磁盘读写的吞吐量可以提升系统的IO性能。

3. 响应时间：响应时间是指系统对用户请求作出响应的时间长度。

响应时间短意味着系统响应速度快，用户体验好；而响应时间长可能会导致用户等待时间过长，影响用户体验。

通过监测系统的响应时间，可以优化系统的性能，提升用户体验。

4. 稳定性：稳定性是指系统在面对异常情况时的表现。

例如，系统在大量并发请求下能否稳定运行，系统在长时间运行后是否会出现内存泄漏等问题。

通过系统性能模型，可以评估系统的稳定性，并采取相应措施加以改善。

对于操作系统的系统性能模型，我们可以采用各种可靠的工具和技术来进行监测和评估。

例如，可以通过系统性能监控工具（如Zabbix、Nagios）对系统资源利用率、吞吐量和响应时间等指标进行实时监测。

同时，可以利用性能测试工具（如JMeter、LoadRunner）对系统进行负载测试，评估系统在不同负载条件下的性能表现。

总的来说，操作系统的系统性能模型是评估系统性能的重要手段，可以帮助我们了解系统的运行状态和性能瓶颈，并提出改进建议，以优化系统性能，提升系统的稳定性和用户体验。

通过科学的系统性能模型分析，我们可以更好地管理和优化系统资源，提高系统的性能表现和运行效率。

简述linux操作系统进程状态转换模型Linux操作系统是一种强大的、免费开源的操作系统，而进程状态转换模型是Linux操作系统的一项核心功能之一。

本文将为您详细解析Linux操作系统进程状态转换模型，让您对其有更好的理解和掌握。

首先，我们需要了解进程的概念。

在Linux操作系统中，每个运行的程序都被视为一个进程，它可以是一个单独的应用程序、一个系统服务或是一个用户交互的Shell。

每个进程都有独立的虚拟地址空间，包含代码段、堆栈段以及数据段等，它们可以互相通信、共享资源、协同工作。

进程状态是指进程在操作系统中的运行状态，Linux操作系统中的进程状态可以分为五种状态：运行态（R）、就绪态（S）、休眠态（D）、僵尸态（Z）和停止态（T）。

运行态是指该进程正在CPU上运行的状态，此时系统已经为该进程分配了处理器资源，进程正在执行它的指令。

就绪态是指该进程已经准备好了运行，但是它还没有获得处理器资源，需要等待CPU轮转到它时才能开始执行。

休眠态是指该进程正在等待某些特定的事件发生，比如等待磁盘IO、等待信号量、等待网络数据等，此时进程不再占用CPU资源。

僵尸态是指进程已经完成了它的任务，并且已经向父进程发送了终止命令，但是它的父进程尚未接收到这个信号，导致该进程变成了僵尸态。

停止态是指进程被暂停了，它暂时停止了执行，并且向操作系统发出了暂停请求，此时其它进程无法与之通信。

Linux操作系统中的进程状态转换模型是一个状态机，进程的状态可以在不同的状态之间转换。

当一个进程被创建时，它的初始状态是就绪态，待系统为其分配CPU资源时，才会进入运行态。

当进程等待某些事件发生时，就会转换为休眠态，事件发生后则会回到就绪态等待CPU的分配。

当进程完成其任务后，它会向其父进程发送终止信号，但是被终止的进程并不会立刻销毁，而是转换为僵尸态，等待父进程接收终止信号并清理资源。

最后，当进程被暂停或终止时，进程状态会变成停止态。

操作系统的运行流程及原理操作系统（Operating System，简称OS）是一种管理和控制计算机硬件与软件资源的软件系统。

它在计算机启动时加载进内存，并负责对计算机的资源进行分配和管理，为上层应用程序提供一个可靠、高效、安全和友好的使用环境。

一、引导操作系统当计算机启动时，BIOS（Basic Input/Output System，基本输入/输出系统）将控制权交给操作系统的引导加载器，它负责从硬盘或其他存储介质中找到操作系统的核心文件，并将其加载到内存中。

二、初始化系统操作系统加载到内存后，它会进行一系列的初始化工作，包括建立进程表、文件表、设备管理表等数据结构，初始化驱动程序，初始化各种服务和系统资源。

三、处理进程调度操作系统的核心任务之一是对进程进行调度和管理。

它会根据系统资源的利用情况、进程的优先级、运行时间等因素，决定应该让哪个进程获得CPU的使用权。

进程调度算法有很多种，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、时间片轮转等。

四、管理内存操作系统需要管理计算机的内存资源，包括内存的分配、回收和保护。

它会将内存划分为多个区域，如操作系统区、用户程序区、堆栈区等，并维护一个内存分配表来记录每个区的使用情况。

当有新的进程需要内存时，操作系统会根据内存分配策略为其分配足够的内存空间。

五、文件系统管理操作系统会通过文件系统来管理计算机的文件和目录。

它提供了一组API（Application Programming Interface，应用程序接口）供应用程序读取、写入和管理文件。

文件系统通常由文件控制块（FCB）和目录结构组成，用于记录文件的属性和位置信息。

六、设备管理与I/O调度操作系统还负责管理计算机的设备，如硬盘、显卡、键盘等。

它会维护一个设备管理表，记录设备的状态和使用情况。

操作系统需要根据应用程序对设备的需求，决定何时分配设备资源给进程，并通过I/O调度算法来调度设备的使用。

第六讲教案网络体系结构及OSI基本参考模型（总时间150分钟）
（图 1）层次模型
（图2）计算机网络的层次模型
层次结构的要点：
1)除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。

2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。

3)n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。

层次结构划分的原则：
1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。

当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。

2)层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。

3)层数应适中。

若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。

网络的体系结构的特点是：
1)以功能作为划分层次的基础。

2)第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n-1层提供的服务。

3)第n层在向第n+1层提供的服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。

4)仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

清华万博教研室主讲：孟令宏。

操作系统进程模型进程的相关概念进程是一个程序的一次执行，这是一个动态的过程，一个进程包括了程序计数器、寄存器和变量的当前值。

在多道程序中有多个进程同时在运行，从概念上他们有各自的CPU，实际上是一个CPU在各个进程之间快速地切换。

每个进程靠自己独有的程序计数器来控制自己的程序执行流程，实际的物理程序计数器只有一个，当某个进程获得物理CPU时它的逻辑程序计数器就被装入实际的程序计数器中。

进程有其从创建到销毁的生命周期。

进程存在的意义就是完成一定的任务，通常将进程分为前台进程和后台进程。

前台进程负责与用户交互，如用户可以终端上输入命令启动程序；后台进程不与特定的用户关联，负责处理一些专用的事件，比如监听网络端口的请求，后台进程又称为守护进程。

进程完成它的工作后就自动退出，释放占用的系统资源。

进程并不是在所有情况下都“自愿”退出的，它可能是由另外的进程杀死的，也可能是因为执行期间发生了严重错误被系统强制终止的。

有些进程是被操作系统生成的，有些进程是由其他进程创建的（即父进程创建子进程）。

在Minix和Linux系统中第一个用户进程－－init进程是由操作系统创建的，此后的所有进程都是init进程的子进程或孙进程。

进程之间形成一种树状的层次结构。

虽然每个进程都是一个独立的实体，有它自己的程序计数器、堆栈、打开的文件、定时器和内部状态，但进程之间还要进行交互、通信以及其他同步操作。

由于进程之间要相互依赖，同步执行，这就决定了进程从创建开始是很难一口气执行到底的，进程调度也要求进程中执行期间必须有间歇。

大体上我们把进程的状态分为三种：运行态、就绪态和阻塞态。

进程处于运行态是指它正在占用CPU。

从运行态转入就绪态仅仅是因为处理机的调度策略使把正在执行的进程换出CPU，转而去执行其他进程，当调度策略又转回来时，处于就绪态的进程就可以立刻执行。

从运行态转入阻塞态就由于进程缺少某种必须的资源，如程序要执行必须是等待用户参数的输入，当阻塞的进程获得这种资源后就转入就绪态，只要调度策略允许它随时可以执行。

操作系统：进程的五态模型
进程的五种状态
创建状态
创建进程时拥有PCB但是其他资源尚未就绪的状态。

folk()
就绪状态
当进程被分配到出CPU的所有必要资源(PCB,堆栈空间，内存)后，只差CPU资源的状态，称为就绪状态。

就绪的进程会被放在就绪队列⾥。

执⾏状态
当就绪状态的进程获得CPU资源，进程进⼊执⾏状态。

对于单核处理器，⼀次只能有⼀个进程运⾏。

阻塞状态
进程由于某种原因⽆法执⾏，从⽽放弃CPU的状态，称为阻塞状态
阻塞状态的进程会被存放在阻塞队列。

终⽌状态
进程由系统清理或者归还PCB的状态。

状态切换：
就绪状态的进程被调度，就变成执⾏状态，当执⾏状态的进程⽤完时间⽚，就变回就绪态；执⾏状态的执⾏出现问题⽽⽆法执⾏，就变成了阻塞状态；当问题解决后，阻塞状态的。

操作系统的运⾏机制和体系结构操作系统的运⾏机制和体系结构知识总览什么是指令问题：“指令”和我们平时所说的“代码”有什么区别？简单来说，“指令”就是处理器（CPU）能识别、执⾏的最基本命令⽐如：加法指令就是让CPU进⾏加法运算两种指令、两种处理器状态、两种程序特权指令不允许⽤户程序使⽤问题：CPU如何判断当前是否可以执⾏特权指令？CPU处于⽤户态此时CPU只能执⾏⾮特权指令CPU处于核⼼态特权指令、⾮特权指令都可执⾏CPU的状态⽤程序状态字寄存器（PSW）中的某种标志位来标识当前处理器处于什么状态。

如0为⽤户态，1为核⼼态。

操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执⾏特权指令，也可以执⾏⾮特权指令，运⾏在核⼼态。

为了保证系统能安全运⾏，普通应⽤程序只能执⾏⾮特权指令，运⾏在⽤户态。

操作系统的内核问题：操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核⼼的部分实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序操作系统的体系结构：⼤内核和微内核类⽐：操作系统的体系结构问题和企业的管理问题很相似内核就是企业的管理层，负责⼀些重要的⼯作。

只有管理层才能执⾏特权指令，普通员⼯只能执⾏⾮特权指令。

⽤户态、核⼼态之间的切换相当于普通员⼯和管理层之间的⼯作交接。

⼤内核：企业初创时体量不⼤，管理层的⼈会负责⼤部分的事情。

优点是效率⾼；缺点是组织结构混乱，难以维护。

微内核：随着企业体量越来越⼤，管理层只负责最核⼼的⼀些⼯作，优点是组织结构清晰，⽅便维护；缺点是效率⾼。

知识回顾1.特权指令只能在核⼼态下执⾏2.内核程序只能在核⼼态下执⾏3.核⼼态、⽤户态之间的切换⼤内核优点：⾼性能缺点：内核代码庞⼤，结构混乱，难以维护微内核优点：内核功能少，结构清晰，⽅便维护缺点：需要频繁的在⽤户态和核⼼态之间进⾏切换，性能低。