2023 南京大學《作業系統：設計與實現》

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【Python 实现操作系统模型 [南京大学2023操作系统-P4] (蒋炎岩)-哔哩哔哩】 https://b23.tv/jakxDbh

用Python实现操作系统模型讲义

一、操作系统基础概念

1.1 定义

操作系统（Operating System，OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。它负责管理系统的进程、内存、文件系统以及设备驱动等，为用户和其他应用程序提供一个方便、高效且安全的运行环境。

1.2 功能

- 进程管理：负责进程的创建、调度、终止等操作。进程是程序的一次执行过程，操作系统通过进程管理来实现多任务并发执行，提高系统资源利用率。

- 内存管理：管理计算机的内存资源，包括内存分配、回收以及内存保护等。确保各个进程能够安全、高效地使用内存。

- 文件系统管理：负责文件的存储、检索、修改和保护。文件系统提供了一种层次化的目录结构，方便用户和应用程序对文件进行管理和操作。

1.3 分类

- 批处理操作系统：用户将作业提交给系统操作员，系统操作员将多个作业组成一批，依次执行。适用于计算量大、不需要交互的任务。

- 分时操作系统：将CPU时间划分成时间片，轮流分配给各个交互型作业使用。用户可以通过终端与系统进行交互，及时获得响应。

- 实时操作系统：能在规定的时间内对外部事件做出响应，主要用于对时间要求严格的控制系统，如工业控制、航空航天等领域。

1.4 常见操作系统特点与应用场景

- Windows：具有图形化用户界面，易于使用，软件资源丰富，广泛应用于个人计算机和办公领域。

- Linux：开源、高度可定制，具有良好的稳定性和安全性，常用于服务器、云计算以及嵌入式系统等。

- macOS：基于Unix，拥有简洁美观的界面和良好的用户体验，主要应用于苹果公司的Mac系列电脑，在创意设计领域有较高的市场份额。

二、状态机概念及在操作系统中的应用

2.1 基本定义

- 状态（State）：系统在某一时刻的状况，一个状态机可以包含多个状态。

- 状态转换（Transition）：系统从一个状态转移到另一个状态的过程，通常由特定的事件触发。

- 事件（Event）：能够引起状态转换的外部或内部刺激。

2.2 在操作系统中的应用场景 - 进程状态转换

- 就绪（Ready）：进程已获得除CPU以外的所有必要资源，等待被调度执行。

- 运行（Running）：进程正在CPU上执行。

- 阻塞（Blocked）：进程因等待某一事件（如I/O操作完成）而暂时无法执行。

当进程被创建时，进入就绪状态；调度程序将就绪队列中的进程调度到CPU上执行，进程进入运行状态；运行中的进程如果需要等待I/O操作完成，会进入阻塞状态；当I/O操作完成后，阻塞的进程又会回到就绪状态。

三、Python语言基础

3.1 数据类型

- 整数（int）：用于表示整数，如1、2、3等。

- 浮点数（float）：用于表示小数，如1.23、3.14等。

- 字符串（str）：用于存储文本数据，用单引号或双引号括起来，如'hello'、"world"。

- 列表（list）：一种有序的可变序列，可以包含不同类型的数据，如[1, 'apple', 3.14]。

- 字典（dict）：一种无序的键值对集合，用于存储和查找数据，如{'name': 'John', 'age': 25}。

3.2 基本语法

- 循环：使用