linux操作系统课件1.ppt

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1、Linux操作系统计算机科学系宋炯email:参考书目Linux操作系统原理与应用.陈莉君，康华.清华大学出版社Linux shell实例精解现代操作系统.坦尼鲍姆著，陈向群等译.机械工业出版社.网上资源第一章操作系统概述认识操作系统 操作系统的发展Unix/Linux操作系统 Linux内核 Linux内核源代码不同角度看到的操作系统不同角度看到的操作系统不同角度看到的操作系统不同角度看到的操作系统操作系统操作系统操作系统操作系统整体看整体看整体看整体看操作系统设计者操作系统设计者操作系统设计者操作系统设计者使用者使用者使用者使用者普通开发者普通开发者普通开发者普通开发者认识操作系统认识操作

2、系统v打开计算机，首先跳入眼帘的是什么？v要拷贝一个文件，具体的拷贝操作是谁完成的？l你需要知道文件存放在何处吗？l柱面、磁道、扇区描述什么？l数据的搬动过程怎样进行v繁琐留给自己，简单留给用户 l操作系统穿上华丽的外衣图形界面l操作系统穿上朴素的外衣字符界面认识操作系统认识操作系统从使用者的角度看从使用者的角度看v拷贝命令的C语言实现片断inf=open(“/floppy/TEST”,O_RDONLY,0);out=open(“/mydir/test”,O_WRONLY,0600);dol=read(inf,buf,4096);write(outf,buf,l);while(l);close

3、(outf);close(inf);认识操作系统认识操作系统从程序开发者的角度看从程序开发者的角度看 浏览器 信息管理 文件管理系统 游戏编译程序编辑程序命令解释程序操作系统CPU、内存、I/O接口硬件内核认识操作系统认识操作系统从所处位置看从所处位置看从操作系统设计者的角度看v操作系统的设计目标是什么？l尽可能地方便用户使用计算机 l让各种软件资源和硬件资源高效而协调地运转起来。v计算机的硬件资源和软件资源各指什么？v假设在一台计算机上有三道程序同时运行，并试图在一台打印机上输出运算结果，必须考虑哪些问题?v从操作系统设计者的角度考虑，一个操作系统必须包含以下几部分 l操作系统接口lCPU管

4、理l内存管理l设备管理l文件管理认识操作系统认识操作系统从设计者角度看从设计者角度看 操作系统操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效、顺畅地运行。认识操作系统认识操作系统定义定义操作系统的演变v单道批处理系统单道批处理系统 l串行执行预先组织好的一组任务 l提高了系统效率。v多道批处理系统多道批处理系统 l可以交错运行多个程序 l再次提高系统效率。l典范：为IBM System/360机

5、开发的 OS/360v分时分时系统系统l将处理器的运行时间分成数片，均分或依照一定权重派发给系统中的用户使用 l快速响应l典范：Multics,Unix 操作系统的发展操作系统的发展硬件角度下的操作系发展轨迹 年 代 硬 件 特点 操作系统特点 背 景 机械计算机时代17世纪20世纪初 1）纯机械结构，低速2）只能进行简单的数学运算 纯手工操作 从计算尺至差分机到分析机发展了数百年第一代计算机1946年50年代末电子管计算机 1)体积大、能耗高、故障多、价格贵2)难以普及应用 无操作系统（程序按机器码编写，载体从插件板到卡片与纸带）1906年发明电子管1946 ENIAC研制成功(第一台电子管

6、计算机)年 代 硬 件 特点 操作系统特点 背 景 第二代计算机50年代末60年代中期晶体管计算机 1)采用印刷电路2)稳定性与可靠性 大 大 提 高3)批量生产成为可能4)进入实际应用领域但数量有限1）单道批处理系统2）操作系统以监督软件形式出现3）任务按顺序方式处理 1947年发明晶体管 第三代计算机60年代中期70年代初集成电路计算机 1)体积减小，性价 比 迅 速 提 高2)小型计算机发展迅速3)进入商业应用4)尚不适合家庭应用的需求1)涌现大批操作系统多道批处理系统、分时系统和实时系统2）奠定了现代操作系统的基本框架 1958年发明集成电路1971年INTEL发明微处理器 硬件角度下

7、的操作系统发展轨迹硬件角度下的操作系统发展轨迹历史悠久的历史悠久的Unix 为了改进为了改进批处理系统批处理系统不令人满意又缺乏效率的方案，不令人满意又缺乏效率的方案，Dartmouth大学和大学和MIT发明了分时发明了分时（time sharing）系统。系统。Dartmouth的系统只能运行的系统只能运行Basic程序并取得短期的商业效益，程序并取得短期的商业效益，而而MIT的系统的系统CTSS则是为通用的分时系统开发的，并在科研则是为通用的分时系统开发的，并在科研领域取得了巨大成功。领域取得了巨大成功。1965年在美国国防部高级研究计划署年在美国国防部高级研究计划署DARPA的支持下，的

8、支持下，MIT、AT&T Bell Lab和和GE决定开发一种决定开发一种“公用计算服务系公用计算服务系统统”，希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户。该系统，希望能够同时支持整个波士顿所有的分时用户。该系统称作称作Multics(MULTiplexed Information and Computing Service)。历史悠久的历史悠久的Unix Multics设计目标是通过电话线把远程终端接入计算机设计目标是通过电话线把远程终端接入计算机主机。但是，主机。但是，Multics研制难度超出了所有人预料。长期研制难度超出了所有人预料。长期研制工作达不到预期目标，研制工作达不到预期目标，1

9、969年年4月贝尔实验室退出，月贝尔实验室退出，通用电气公司也退出了。通用电气公司也退出了。Multics引入了许多现代操作系统领域的概念雏形，引入了许多现代操作系统领域的概念雏形，比如分级的文件系统，与设备独立的用户接口等思想，这比如分级的文件系统，与设备独立的用户接口等思想，这些对随后操作系统特别是些对随后操作系统特别是Unix的成功有着巨大的影响。的成功有着巨大的影响。历史悠久的历史悠久的Unix1969年年,贝尔实验室退出贝尔实验室退出Multics研制项目后研制项目后,Ken Thompson和和Dennis M.Ritchie两个研究人员一台无人用的两个研究人员一台无人用的PDP-

10、7上重新摆弄原先在上重新摆弄原先在 Multics项目上设计的项目上设计的“空间旅行空间旅行”游戏。为了使游戏能够在游戏。为了使游戏能够在PDP-7上顺利运行上顺利运行,他们陆续开发了他们陆续开发了浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、浮点运算软件包、显示驱动软件，设计了文件系统、实用程序、shell 和汇编程序。和汇编程序。1970年年,在一切完成后在一切完成后,给新系统起了给新系统起了个同个同 Multics发音相近的名字发音相近的名字Unix。注：注：PDP-7是美国是美国DEC公司生产的小型机，其系列还包括公司生产的小型机，其系列还包括PDP-11/40/45等机型。

11、等机型。历史悠久的历史悠久的Unix 最初的最初的Unix是用汇编语言编写的。不久，是用汇编语言编写的。不久，Thompson用他用他自己设计的一种较高级的自己设计的一种较高级的B语言重写了该系统。但由于语言重写了该系统。但由于B语言语言的缺陷，的缺陷，Ritchie后来对后来对B进行了改进，取名为进行了改进，取名为C，接着又为，接着又为C写了一个很不错的编译器。写了一个很不错的编译器。Thompson和和Ritchie合力用合力用C语言语言重写了重写了Unix。C语言正是一种应运而生的编程语言，直至今日语言正是一种应运而生的编程语言，直至今日仍然统治着系统程序编程领域。仍然统治着系统程序编程

12、领域。1974年，年，Ritchie和和Thompson发表了一篇关于发表了一篇关于Unix里程里程碑式的论文碑式的论文The UNIX Time-Sharing System。由于他们。由于他们的卓越成就，他们于的卓越成就，他们于1984年被授予著名的图灵奖。年被授予著名的图灵奖。Ken ThompsonC语言之父语言之父Dennis M.RitchieAT&T的的 System 论文发表后，很多大学纷纷向贝尔实验室索要论文发表后，很多大学纷纷向贝尔实验室索要UNIX的拷的拷贝。由于贝尔实验室的母公司贝。由于贝尔实验室的母公司AT&T当时是一家受限制的垄断当时是一家受限制的垄断企业而不能涉足

13、计算机领域，所以企业而不能涉足计算机领域，所以AT&T没有向这些大学收取没有向这些大学收取费用。费用。1984年，年，AT&T被美国政府分成了几个子公司，这样，它被美国政府分成了几个子公司，这样，它就可以合法地建立一个计算机子公司。很快，就可以合法地建立一个计算机子公司。很快，AT&T推出了它推出了它的第一个的第一个UNIX商业版本，商业版本，System。但由于反映不尽如人。但由于反映不尽如人意，翌年另一个改进版本意，翌年另一个改进版本System 取代了它，而不为人知的取代了它，而不为人知的System 则成为计算机科学史上的一个谜。最早的则成为计算机科学史上的一个谜。最早的System

14、相继被它的相继被它的2、3、4版本代替，每一个版本都比它的前一代版本代替，每一个版本都比它的前一代更庞大、更复杂。在此过程中，当初设计更庞大、更复杂。在此过程中，当初设计UNIX的初衷的初衷一一个简洁、优美的系统个简洁、优美的系统被逐渐抛到脑后。被逐渐抛到脑后。伯克利的伯克利的UNIX BSD 加州大学伯克利分校是早期获得第加州大学伯克利分校是早期获得第6版版UNIX的大学之一。的大学之一。由于拥有完整的源代码，伯克利得以从根本上修改由于拥有完整的源代码，伯克利得以从根本上修改UNIX。在。在DARPA的资助下，伯克利分校为的资助下，伯克利分校为PDP-11设计并发布了一个改设计并发布了一个改

15、进版本，叫作进版本，叫作1BSD（First Berkeley Software Distribution）。很快又有了）。很快又有了2BSD。更为重要的是为。更为重要的是为VAX编编写的写的3BSD及其下一代产品及其下一代产品4BSD。4BSD（包括（包括4.3BSD和和4.4BSD）有了很大改进。首先是）有了很大改进。首先是虚拟内存和分页的使用，根据需要动态调入或调出内存页面，虚拟内存和分页的使用，根据需要动态调入或调出内存页面，从而使得运行的程序能够大于物理内存。另一个改进是允许文从而使得运行的程序能够大于物理内存。另一个改进是允许文件名可以多于件名可以多于14个字母。网络的加入最终使个

16、字母。网络的加入最终使BSD的网络协议的网络协议TCP/IP成为比其他任何官方标准（如成为比其他任何官方标准（如OSI）都更为广泛）都更为广泛使用的实际上的标准。使用的实际上的标准。伯克利的伯克利的UNIX BSD 伯克利还在伯克利还在UNIX中加入了很多实用程序，包括一个新的中加入了很多实用程序，包括一个新的编辑器（编辑器（vi）、一个新的）、一个新的shell程序（程序（csh）以及）以及Pascal和和Lisp的编译器等等。这些进步使得的编译器等等。这些进步使得Sun、DEC和其他计算机厂商将和其他计算机厂商将它们的它们的UNIX版本基于伯克利的版本基于伯克利的UNIX而不是而不是AT&

17、T的官方版的官方版本本System。结果，伯克利的。结果，伯克利的UNIX成为教学、科研和安全成为教学、科研和安全领域的主流。领域的主流。UNIX的标准化进程的标准化进程 到了到了80年代后期，两个不同的、互不兼容的年代后期，两个不同的、互不兼容的UNIX版本版本4.3BSD和和System Release 3都在广为使用。另外，每一都在广为使用。另外，每一个个UNIX供应商事实上又在原有供应商事实上又在原有UNIX系统的基础上加入了一系统的基础上加入了一些自己的非标准的东西。些自己的非标准的东西。UNIX世界群雄割据，又没有标准的世界群雄割据，又没有标准的二进制程序格式，这样就严重阻碍了二进

18、制程序格式，这样就严重阻碍了UNIX的商业成功，因为的商业成功，因为软件开发商不可能写出一个适用于所有软件开发商不可能写出一个适用于所有UNIX系统的程序。系统的程序。第一次尝试将这两大第一次尝试将这两大UNIX统一起来的是统一起来的是IEEE标准委员会，标准委员会，这个项目被命名为这个项目被命名为POSIX，前三个字母代表可移植的操作系，前三个字母代表可移植的操作系统（统（Portable Operating System）,加上加上IX是为了让名字更是为了让名字更加加UNIX化。化。POSIX委员会制定出一个称为委员会制定出一个称为1003.1的标准的标准.UNIX的标准化进程的标准化进程

19、 然而，一些软件供应商，包括然而，一些软件供应商，包括IBM、DEC、HP等并不喜欢等并不喜欢AT&T对对UNIX平台的控制，因此它们建立了一个称为平台的控制，因此它们建立了一个称为OSF(Open Software Foundation，自由软件联盟，自由软件联盟)的联盟，的联盟，开发了一个符合所有开发了一个符合所有IEEE和其他标准的系统，这个系统包含和其他标准的系统，这个系统包含很多其他特色，如窗口系统很多其他特色，如窗口系统(X11)、图形用户界面、图形用户界面(Motif)、分、分布式计算布式计算(DCE)、分布式管理（、分布式管理（DME）。）。针对针对OSF的出现，的出现，AT&

20、T建立了一个自己的联盟建立了一个自己的联盟UI（UNIX International），事实上做的是相同事情。），事实上做的是相同事情。UI的的UNIX是基于是基于System 的。结果是，有两个工业集团提供各的。结果是，有两个工业集团提供各自的自的UNIX版本，因此使用者距离标准化反而较最初更远了。版本，因此使用者距离标准化反而较最初更远了。另外，另外，IBM还有自己的还有自己的UNIX变种变种AIX，其他公司也各自拥有，其他公司也各自拥有UNIX变体，混乱依然存在。变体，混乱依然存在。UNIX的一些变种的一些变种 IBM AIX SUN Solaris HP HP-UX FreeBSD L

21、inuxMinix 由于由于Unix的商业化导致源代码不公开，大学里讲授操作系的商业化导致源代码不公开，大学里讲授操作系统只能略去统只能略去Unix的内容而只讲操作系统理论的内容而只讲操作系统理论。不幸的是，只讲理论使学生对实际的操作系统产生一个片不幸的是，只讲理论使学生对实际的操作系统产生一个片面的认识。书本中作为重点讲述的内容，如进程调度算法，实面的认识。书本中作为重点讲述的内容，如进程调度算法，实际中并没有那么重要；而实际中很重要的内容，如际中并没有那么重要；而实际中很重要的内容，如I/O系统和系统和文件系统又因为缺乏理论性而被忽略。文件系统又因为缺乏理论性而被忽略。Minix 为了扭转

22、这种局面，荷兰阿姆斯特丹为了扭转这种局面，荷兰阿姆斯特丹Vrije大学计算机科学大学计算机科学系的坦尼鲍姆（系的坦尼鲍姆（Andrew S.Tanenbaum）教授决定编写一个）教授决定编写一个在用户看来和在用户看来和UNIX完全兼容，然而内核全新的操作系统完全兼容，然而内核全新的操作系统Minix。Minix没有借用没有借用AT&T一行代码，所以不受许可证的限一行代码，所以不受许可证的限制，它可以被班级和个人用来学习。通过它读者可以剖析一个制，它可以被班级和个人用来学习。通过它读者可以剖析一个操作系统，研究其内容如何运作。其名称源于操作系统，研究其内容如何运作。其名称源于“小小Unix”，因

23、，因为它非常简洁，一般程度的读者都可以读懂它。为它非常简洁，一般程度的读者都可以读懂它。Minix的内容大家可参阅坦尼鲍姆撰写的教材的内容大家可参阅坦尼鲍姆撰写的教材操作系统：操作系统：设计与实现设计与实现及及http:/www.Minix3.org网站。网站。Minix和和Linux的关系的关系 在在Minix发布后不久，便出现了一个面向它的发布后不久，便出现了一个面向它的USENET新新闻组，在数周内便有多达闻组，在数周内便有多达40000个用户订阅该新闻组。其中的个用户订阅该新闻组。其中的大多数人都想向大多数人都想向Minix中加入一些新特性以使其更强大、更有中加入一些新特性以使其更强大

24、、更有用。每天都有数百人提供自己的建议、思想甚至代码。而用。每天都有数百人提供自己的建议、思想甚至代码。而Minix的作者在几年内一直坚持不采纳这些建议，目的是使的作者在几年内一直坚持不采纳这些建议，目的是使Minix保持足够的短小精悍，以便于学生理解。人们最终意识保持足够的短小精悍，以便于学生理解。人们最终意识到不可能动摇作者的立场，于是一个芬兰学生到不可能动摇作者的立场，于是一个芬兰学生Linus Torvalds决定编写一个类似于决定编写一个类似于Minix的系统，但是它特征繁多、面向实的系统，但是它特征繁多、面向实用而非教学，这就是用而非教学，这就是Linux。自由而奔放的黑马自由而奔

25、放的黑马Linux诞生于学生之手诞生于学生之手成长于成长于Internet 壮大于自由而开放壮大于自由而开放的文化的文化TuxLinux的形象代表的形象代表Linux:为为x86体系结构开发的类体系结构开发的类Unix操作系统操作系统Linux之父之父-Linus Torvalds芬兰、赫尔辛基大学、芬兰、赫尔辛基大学、1990起始于写两个进程起始于写两个进程 然后写驱动程序、文件系统、然后写驱动程序、文件系统、任务切换程序，从而形成一个任务切换程序，从而形成一个操作系统雏形，并把它放在操作系统雏形，并把它放在Internet上供大家下载修改上供大家下载修改Linux得以流行的原因之一得以流行

26、的原因之一 遵循遵循POSIX标准标准vPOSIX 表示可移植操作系统接口（表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface）vPOSIX是在是在Unix标准化过程中出现的产物。标准化过程中出现的产物。vPOSIX 1003.1标准定义了一个最小的标准定义了一个最小的Unix操作系操作系统接口统接口 v任何操作系统只有符合这一标准，才有可能运行任何操作系统只有符合这一标准，才有可能运行Unix程序程序 Linux的肥沃土壤的肥沃土壤GNUvGNU 是是 GNU Is Not Unix 的递归缩写，是自由软件基金会的递归缩写，是自由软件基金会的一个项

27、目。的一个项目。Richard Stallman建立了建立了GNU项目，要创建一项目，要创建一个能够自由发布的类个能够自由发布的类UNIX系统。系统。v GNU 项目产品包括项目产品包括 emacs 编辑器、著名的编辑器、著名的 GNU C 和和 Gcc编译器等，这些软件叫做编译器等，这些软件叫做GNU软件。软件。vGNU 软件和派生工作均适用软件和派生工作均适用 GNU 通用公共许可证，即通用公共许可证，即 GPL（General Public License）vLinux的开发使用了众多的的开发使用了众多的GNU工具工具GPL开源软件的法律开源软件的法律vGPL 允许软件作者拥有软件版权允

28、许软件作者拥有软件版权 v但但GPL规定授予其他任何人以合法复制、规定授予其他任何人以合法复制、发行和修改软件的权利。发行和修改软件的权利。自由软件运动的教父自由软件运动的教父 Richard Stallman 理查德理查德马修马修斯托曼，斯托曼，1953年出生于美国年出生于美国纽约曼哈顿地区，纽约曼哈顿地区，1971年进入哈佛大学学习，年进入哈佛大学学习，同年受聘于麻省理工学院的人工智能实验室同年受聘于麻省理工学院的人工智能实验室（AI Laboratory）。他是自由软件运动。他是自由软件运动的精神领袖、的精神领袖、GNU计划以及自由软件基计划以及自由软件基金会（金会（Free Softw

29、are Foundation）的）的创立者、著名黑客，创立者、著名黑客，Gcc,Emacs等软件等软件的作者。的作者。他最大的影响是为自由软件运动竖立了道他最大的影响是为自由软件运动竖立了道德、政治以及法律框架。德、政治以及法律框架。开放与协作的开发模式开放与协作的开发模式 v世界各地软件爱好者集体智慧的结晶世界各地软件爱好者集体智慧的结晶 v提供源代码，遵守提供源代码，遵守GPL。v经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定经历了各种各样的测试与考验，软件的稳定性好。性好。v开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造开发人员凭兴趣去开发，热情高，具有创造性。性。Linux内核内核 vLinus领导下

30、的开发小组开发出的系统内核领导下的开发小组开发出的系统内核(kernel)v是所有是所有Linux 发布版本的核心发布版本的核心 v内核开发人员一般在百人以上，任何自由程内核开发人员一般在百人以上，任何自由程序员都可以提交自己的修改工作。序员都可以提交自己的修改工作。v采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误采用邮件列表来进行项目管理、交流、错误报告报告v有大量的用户进行测试，正式发布的代码质有大量的用户进行测试，正式发布的代码质量高量高 整个系统的核心内核整个系统的核心内核 硬件硬件系统调用接口应用应用程序进程程序进程1应用应用程序进程程序进程2应用应用程序进程程序进程3Linux内核内核用户

31、进程用户进程内核子系统内核子系统系统调用系统调用整个系统的核心内核整个系统的核心内核 v用户进程用户进程运行在运行在Linux内核之上的一个庞大软件集内核之上的一个庞大软件集合。合。v系统调用系统调用内核的出口，用户程序通过它使用内核内核的出口，用户程序通过它使用内核提供的功能。提供的功能。vLinux内核内核操作系统的灵魂，负责管理磁盘上的文操作系统的灵魂，负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等等。收和发送数据包等等。v硬件硬件包括了包括了Linux安装时需要的所有可能的物理设安装时需要的所有可能的物理设备。

32、例如，备。例如，CPU、内存、硬盘、网络硬件等等。内存、硬盘、网络硬件等等。内核子系统内核子系统 内核子系统内核子系统 v进程调度控制着进程对进程调度控制着进程对CPU的访问。的访问。v内存管理内存管理(mm)允许多个进程安全地共享主内存区允许多个进程安全地共享主内存区域域 v虚拟文件系统虚拟文件系统(VFS)隐藏各种不同硬件的具体细节，隐藏各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口。为所有设备提供统一的接口。v网络网络(net)提供了对各种网络标准协议的存取和各提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持。种网络硬件的支持。v进程间通信进程间通信(IPC)支持进程间各种通信机制，

33、包括支持进程间各种通信机制，包括共享内存、消息队列及管道等。共享内存、消息队列及管道等。Linux内核版本树内核版本树 0.01Linux（第一版）（第一版）0.13版版|产品化版本产品化版本实验版本实验版本1.0.01.1.0(1.0.0的拷贝的拷贝)1.0.X(修改修改)1.1.X(增加新功能，进行测试增加新功能，进行测试)1.1.95(1.1.95(成为成为1.2.0)1.2.0)当前的内核版本为当前的内核版本为2.6内核源代码结构内核源代码结构Linux系统或发布版系统或发布版 v 符合符合 POSIX 标准的操作系统内核、标准的操作系统内核、Shell 和外围工具。和外围工具。v C

34、 语言编译器和其他开发工具及函数库语言编译器和其他开发工具及函数库 v X Window 窗口系统窗口系统 v 各种应用软件，包括字处理软件、图象处各种应用软件，包括字处理软件、图象处理软件等。理软件等。流行的流行的Linux发布版本发布版本vSlackware linuxvredhat linux fedoravDebian linux vUbuntu LinuxvSuSE linuxvTurbo linuxv红旗红旗 linux流行的开源软件流行的开源软件vApachevMySQLvOpenofficevPHPvPerlLinux的安装的安装v第一种方法：安装在第一种方法：安装在Windows环境中环境中 可以在可以在Windows系统下安装虚拟机软件系统下安装虚拟机软件VMware，然后将然后将Linux安装在虚拟机上安装在虚拟机上v 第二种方法：双系统引导第二种方法：双系统引导 将将Windows的最后一个分区删除，用来安装的最后一个分区删除，用来安装Linux