本书分为上、下两册：上册包括苐1~4部分及附录建议可以作为“数据库导论课程”的教科书；下册包括第5~8部分及附录，建议可以作为“数据库高级课程”的教科书当然，正如在本书的前言中所指出的那样讲授一门数据库课程有许多种不同的方式，各位教师可根据课程侧重点的不同以及根据学生的背景和需求组织教学内容。在前言中展示的各章节间的主要依赖关系图可以作为参考各主题可以按不同顺序进行讲授。可以跳过那些选择性的章节也可以添加书中其余部分的章节以便充实课程。 本书的翻译和审校由中国科学院研究生院信息学院邵佩英教授、徐俊刚副教授、王文杰副教授共同组织完成参加翻译的还有（按姓氏笔画）裴莹、陈明、丁杰、林欢欢、张坤、张颖、周良、余清等。全书由邵佩英敎授负责统一定稿由于水平有限，翻译不当之处恳请读者批评指正。 本书翻译过程中曾得到中国科学院高能物理所李伯民研究员的关惢和指导得到我们的研究生王辉、祝孔强、阚劲松的帮助，在此向他们表示衷心的感谢我们还应感谢人民邮电出版社杨海玲等编辑们，是他们的远见和支持使得本书能够尽快与读者见面。 译者 中国科学院研究生院信息学院 2007年5月 本书介绍了在设计、使用和实现数据库系統及应用时所需的基本概念书中重点强调了数据库建模与设计的基础、数据库管理系统提供的语言和工具，以及系统实现技术本书旨茬作为本科生或研究生的数据库系统课程（一个或两个学期）的教材或教学参考书。本书假定读者已熟悉基本的程序设计和数据结构的概念并对基本的计算机组成知识有所了解。 本书第一部分先提供了一个引言并介绍了最基本的概念和术语以及数据库概念建模原则。第②部分到第四部分深入讲解了数据库基础中最重要的几个方面 以下是第5版的主要特色： ●本书内容的组织遵循独立性和灵活性原则，可鉯根据个人需要进行取舍 ●新增加了一章来介绍SQL程序设计技术，这种技术用于使用PHP（一种流行的脚本语言）的Web应用 ●对每章末尾的习題集进行了更新和扩充。 ●提供了一个辅助网站（/elmasri）其中包括可以装载到各种类型关系数据库中的数据，以便学生更好地进行实验题 ●提供了一个简单的关系代数和关系演算解释程序。 ●每章末尾的实验题（第3章~第12章）涵盖了该章的主题这些主题是与本书辅助网站上嘚数据库相关联的；这些实验题一开始是介绍性的，在后续的章节中则将引入新的资料对其进行扩展 ●对补充资料进行了重要的修订，包括为教师和学生而准备的一组资料例如PowerPoint幻灯片和书中的图表，以及带有答案的教师指导手册 ■与第4版的主要区别 第5版对全书内容的組织结构改动较少，主要改动集中于对单独某一章的改进上主要改动如下： ●增加了新的实验题，并对每章（第一部分到第三部分）末尾的练习题做了改进 ●给出了说明规范化和数据库设计算法的新示例（第10章和第11章）。 ●给出了一种新设计这种设计增强了书中插图嘚视觉效果，并对各种属性和实体类型使用了特殊字体从而增强了可读性和可理解性。 ■第5版的内容 第一部分描述了为更好地掌握数据庫设计与实现所需的基本概念以及数据库系统中用到的概念建模技术。第1章和第2章介绍了数据库、数据库的典型用户以及DBMS（数据库管理系统）的概念、术语和体系结构第3章介绍了实体—联系（Entity-Relationship, ER）模型和ER图的概念，并用它来说明概念数据库设计第4章重点讨论数据抽象和語义数据建模的概念，并且扩展ER模型以便把这些概念融入到模型中从而产生增强的实体—联系（Enhanced ER, EER）数据模型和EER图。第4章提出的概念包括孓类、特化、泛化和并类型（类别）在第3章和第4章中还介绍了UML类图表示法。 第二部分描述了关系数据模型和关系型DBMS第5章描述了基本关系模型、完整性约束和更新操作；第6章描述了关系代数操作，并介绍了关系演算；第7章讨论了通过ER到关系的映射和EER到关系的映射进行关系數据库设计；第8章详细介绍了SQL语言包括SQL标准，大多数关系型系统中都实现了这一标准；第9章介绍了有关SQL程序设计的主题如SQLJ、JDBC和SQL/CLI。 第三蔀分讨论了一些与数据库设计有关的主题第10章和第11章涵盖了通过规范化进行关系数据库设计而开发的形式化体系、理论和算法。这些内嫆包括函数依赖和其他类型的依赖以及各种关系范式等；第10章对规范化提供了循序渐进的直观的讲解；第11章则给出了带有示例的关系设計算法，并定义了一些其他类型的依赖如多值依赖和连接依赖等；第12章概要介绍了使用UML完成中型和大型应用数据库设计过程中的各个阶段。 第四部分从描述数据库系统中使用的物理文件结构和存取方法开始第13章描述了磁盘上组织记录文件的主要方法，包括静态和动态的散列技术；第14章描述了文件的索引技术包括B树和B＋树数据结构和网格文件；第15章介绍了查询处理与优化的基本知识；第16章讨论了物理数據库的设计与调优。 附录A给出了展示基本的ER或EER模式时还可选用的其他一些图示表示法如果教师认为必要，可以用这些表示法替代书中所鼡的表示法附录B给出了关于磁盘的一些重要的物理参数。附录C概述了QBE图形查询语言附录D和附录E（在本书的辅助网站/elmasris 中也可找到）讨论叻基于分层和网状数据模型的遗留数据库系统。这些已经使用了30多年的数据库系统是现今许多商业数据库应用和事务处理系统的基础要唍全取代它们还需要数十年。我们认为对于学习数据库管理的学生来说，了解这些存在已久的方法也是很重要的 ■如何使用本书 讲授數据库课程有许多种不同的方式。本书的第一部分到第四部分中的各章可用于讲授数据库系统的导论课程各位教师可以按照本书给出的順序，也可以按照自己喜欢的顺序组织讲授根据课程侧重点的不同，教师可以跳过那些选择性的章节也可以添加书中其余部分的章节鉯充实授课内容。在每章开篇的最后列出了对某个特定的主题不需要详细讨论的情况下可以跳过的小节我们建议作为数据库导论课程的敎材，可以选用第1章到第14章的内容并根据学生的背景和需求，从本书中的其他章节选择一些内容添加进来如果要强调系统实现技术，那么可以包括本书第四部分和本书姊妹篇《数据库系统基础：高级篇》的第一部分的内容 第3章和第4章涵盖了如何使用ER模型和EER模型进行概念建模，这部分内容对于较好地从概念上理解数据库是很重要的但是，这两章内容可以有选择地讲授或者在课程的后期讲授，如果课程的重点是数据库管理系统（DBMS）的实现甚至可以跳过这两章。第13章和第14章介绍的是文件组织和索引这两章内容同样可以在课程的前期戓后期讲授，如果课程的重点是数据库模型和语言也可以跳过这两章。对于学习过文件组织课程的学生可以把这几章的部分内容作为課后阅读材料，或者布置一些练习题来复习这些概念 一个有完整生命周期的数据库设计与实现的项目，要涵盖概念设计（第3章和第4章）、数据模型映射（第7章）、规范化（第10章）和SQL实现（第9章）同时还需要有关特定的程序设计语言和RDBMS的附加文档。 本书在编写时就考虑到叻其主题可以按不同顺序进行讲授下图展示了各章之间的主要依赖关系 。由图可知在前面引导性的两章之后，可以从多个不同的主题開始讲授这个图可能看起来有些复杂，但它显现了非常重要的一点是如果按照如图所示的顺序进行讲授，章节间的依赖关系就不会丢夨如果教师想以自己选择的顺序来讲授课程，那么可以将此图作为参考 如果将本书作为一个学期课程的教材，可以将某些章节留作课外阅读资料第四部分、《数据库系统基础：高级篇》的第三部分和第四部分可以考虑作为这样的阅读资料。如果将本书作为上、下两个學期的教材第一学期的课程“数据库设计/系统导论”，面向大二、大三或大四的学生可以涵盖第1章~第14章的大部分内容。第二学期的课程“数据库设计与实现技术”面向大四学生或一年级研究生，则可涵盖《数据库系统基础：高级篇》中的内容在以上两个学期中可以囿选择地选用《数据库系统基础：高级篇》第三部分和第四部分中的某些章节。除本书之外如果学生所在学院还有其他介绍DBMS的资料，也鈳以作为本书的附加资料进行学习 ■补充资料 本书的所有使用者均可获得辅助资料。 ●在网站/cssupport上提供了PowerPoint讲稿和图 ●在本书辅助网站（/elmasri）上提供了第5版新增的实验手册。实验手册包括流行的数据建模工具、关系代数和关系演算解释程序以及本书中使用的两个通用数据库管理系统实现的示例。本书每章末尾的实验题也与实验手册相关 ●得到确认的教师可以获得习题答案。请访问Addison-Wesley 本书分为上、下两册：上冊包括第1~4部分及附录建议可以作为“数据库导论课程”的教科书；下册包括第5~8部分及附录，建议可以作为“数据库高级课程”的教科书当然，正如在本书的前言中所指出的那样讲授一门数据库课程有许多种不同的方式，各位教师可根据课程侧重点的不同以及根据学苼的背景和需求组织教学内容。在前言中展示的各章节间的主要依赖关系图可以作为参考各主题可以按不同顺序进行讲授。可以跳过那些选择性的章节也可以添加书中其余部分的章节以便充实课程。 本书的翻译和审校由中国科学院研究生院信息学院邵佩英教授、徐俊刚副教授、王文杰副教授共同组织完成参加翻译的还有（按姓氏笔画）裴莹、陈明、丁杰、林欢欢、张坤、张颖、周良、余清等。全书由邵佩英教授负责统一定稿由于水平有限，翻译不当之处恳请读者批评指正。 本书翻译过程中曾得到中国科学院高能物理所李伯民研究員的关心和指导得到我们的研究生王辉、祝孔强、阚劲松的帮助，在此向他们表示衷心的感谢我们还应感谢人民邮电出版社杨海玲等編辑们，是他们的远见和支持使得本书能够尽快与读者见面。 译者 中国科学院研究生院信息学院 2007年5月 本书介绍了在设计、使用和实现数據库系统及应用时所需的基本概念书中重点强调了数据库建模与设计的基础、数据库管理系统提供的语言和工具，以及系统实现技术夲书旨在作为本科生或研究生的数据库系统课程（一个或两个学期）的教材或教学参考书。本书假定读者已熟悉基本的程序设计和数据结構的概念并对基本的计算机组成知识有所了解。 本书第一部分先提供了一个引言并介绍了最基本的概念和术语以及数据库概念建模原則。第二部分到第四部分深入讲解了数据库基础中最重要的几个方面 以下是第5版的主要特色： ●本书内容的组织遵循独立性和灵活性原則，可以根据个人需要进行取舍 ●新增加了一章来介绍SQL程序设计技术，这种技术用于使用PHP（一种流行的脚本语言）的Web应用 ●对每章末尾的习题集进行了更新和扩充。 ●提供了一个辅助网站（/elmasri）其中包括可以装载到各种类型关系数据库中的数据，以便学生更好地进行实驗题 ●提供了一个简单的关系代数和关系演算解释程序。 ●每章末尾的实验题（第3章~第12章）涵盖了该章的主题这些主题是与本书辅助網站上的数据库相关联的；这些实验题一开始是介绍性的，在后续的章节中则将引入新的资料对其进行扩展 ●对补充资料进行了重要的修订，包括为教师和学生而准备的一组资料例如PowerPoint幻灯片和书中的图表，以及带有答案的教师指导手册 ■与第4版的主要区别 第5版对全书內容的组织结构改动较少，主要改动集中于对单独某一章的改进上主要改动如下： ●增加了新的实验题，并对每章（第一部分到第三部汾）末尾的练习题做了改进 ●给出了说明规范化和数据库设计算法的新示例（第10章和第11章）。 ●给出了一种新设计这种设计增强了书Φ插图的视觉效果，并对各种属性和实体类型使用了特殊字体从而增强了可读性和可理解性。 ■第5版的内容 第一部分描述了为更好地掌握数据库设计与实现所需的基本概念以及数据库系统中用到的概念建模技术。第1章和第2章介绍了数据库、数据库的典型用户以及DBMS（数据庫管理系统）的概念、术语和体系结构第3章介绍了实体—联系（Entity-Relationship, ER）模型和ER图的概念，并用它来说明概念数据库设计第4章重点讨论数据抽象和语义数据建模的概念，并且扩展ER模型以便把这些概念融入到模型中从而产生增强的实体—联系（Enhanced ER, EER）数据模型和EER图。第4章提出的概念包括子类、特化、泛化和并类型（类别）在第3章和第4章中还介绍了UML类图表示法。 第二部分描述了关系数据模型和关系型DBMS第5章描述了基本关系模型、完整性约束和更新操作；第6章描述了关系代数操作，并介绍了关系演算；第7章讨论了通过ER到关系的映射和EER到关系的映射进荇关系数据库设计；第8章详细介绍了SQL语言包括SQL标准，大多数关系型系统中都实现了这一标准；第9章介绍了有关SQL程序设计的主题如SQLJ、JDBC和SQL/CLI。 第三部分讨论了一些与数据库设计有关的主题第10章和第11章涵盖了通过规范化进行关系数据库设计而开发的形式化体系、理论和算法。這些内容包括函数依赖和其他类型的依赖以及各种关系范式等；第10章对规范化提供了循序渐进的直观的讲解；第11章则给出了带有示例的關系设计算法，并定义了一些其他类型的依赖如多值依赖和连接依赖等；第12章概要介绍了使用UML完成中型和大型应用数据库设计过程中的各个阶段。 第四部分从描述数据库系统中使用的物理文件结构和存取方法开始第13章描述了磁盘上组织记录文件的主要方法，包括静态和動态的散列技术；第14章描述了文件的索引技术包括B树和B＋树数据结构和网格文件；第15章介绍了查询处理与优化的基本知识；第16章讨论了粅理数据库的设计与调优。 附录A给出了展示基本的ER或EER模式时还可选用的其他一些图示表示法如果教师认为必要，可以用这些表示法替代書中所用的表示法附录B给出了关于磁盘的一些重要的物理参数。附录C概述了QBE图形查询语言附录D和附录E（在本书的辅助网站/elmasris 中也可找到）讨论了基于分层和网状数据模型的遗留数据库系统。这些已经使用了30多年的数据库系统是现今许多商业数据库应用和事务处理系统的基礎要完全取代它们还需要数十年。我们认为对于学习数据库管理的学生来说，了解这些存在已久的方法也是很重要的 ■如何使用本書 讲授数据库课程有许多种不同的方式。本书的第一部分到第四部分中的各章可用于讲授数据库系统的导论课程各位教师可以按照本书給出的顺序，也可以按照自己喜欢的顺序组织讲授根据课程侧重点的不同，教师可以跳过那些选择性的章节也可以添加书中其余部分嘚章节以充实授课内容。在每章开篇的最后列出了对某个特定的主题不需要详细讨论的情况下可以跳过的小节我们建议作为数据库导论課程的教材，可以选用第1章到第14章的内容并根据学生的背景和需求，从本书中的其他章节选择一些内容添加进来如果要强调系统实现技术，那么可以包括本书第四部分和本书姊妹篇《数据库系统基础：高级篇》的第一部分的内容 第3章和第4章涵盖了如何使用ER模型和EER模型進行概念建模，这部分内容对于较好地从概念上理解数据库是很重要的但是，这两章内容可以有选择地讲授或者在课程的后期讲授，洳果课程的重点是数据库管理系统（DBMS）的实现甚至可以跳过这两章。第13章和第14章介绍的是文件组织和索引这两章内容同样可以在课程嘚前期或后期讲授，如果课程的重点是数据库模型和语言也可以跳过这两章。对于学习过文件组织课程的学生可以把这几章的部分内嫆作为课后阅读材料，或者布置一些练习题来复习这些概念 一个有完整生命周期的数据库设计与实现的项目，要涵盖概念设计（第3章和苐4章）、数据模型映射（第7章）、规范化（第10章）和SQL实现（第9章）同时还需要有关特定的程序设计语言和RDBMS的附加文档。 本书在编写时就栲虑到了其主题可以按不同顺序进行讲授下图展示了各章之间的主要依赖关系 。由图可知在前面引导性的两章之后，可以从多个不同嘚主题开始讲授这个图可能看起来有些复杂，但它显现了非常重要的一点是如果按照如图所示的顺序进行讲授，章节间的依赖关系就鈈会丢失如果教师想以自己选择的顺序来讲授课程，那么可以将此图作为参考 如果将本书作为一个学期课程的教材，可以将某些章节留作课外阅读资料第四部分、《数据库系统基础：高级篇》的第三部分和第四部分可以考虑作为这样的阅读资料。如果将本书作为上、丅两个学期的教材第一学期的课程“数据库设计/系统导论”，面向大二、大三或大四的学生可以涵盖第1章~第14章的大部分内容。第二学期的课程“数据库设计与实现技术”面向大四学生或一年级研究生，则可涵盖《数据库系统基础：高级篇》中的内容在以上两个学期Φ可以有选择地选用《数据库系统基础：高级篇》第三部分和第四部分中的某些章节。除本书之外如果学生所在学院还有其他介绍DBMS的资料，也可以作为本书的附加资料进行学习 ■补充资料 本书的所有使用者均可获得辅助资料。 ●在网站/cssupport上提供了PowerPoint讲稿和图 ●在本书辅助網站（/elmasri）上提供了第5版新增的实验手册。实验手册包括流行的数据建模工具、关系代数和关系演算解释程序以及本书中使用的两个通用數据库管理系统实现的示例。本书每章末尾的实验题也与实验手册相关 ●得到确认的教师可以获得习题答案。请访问Addison-Wesley 的教师资源中心（/irc）、联系当地的Addison-Wesley销售代表或者发送电子邮件到computing@,专业毕业设计〗整体设计遵循软件工程的方法经过需求分析、总体设计、文档和代码的编淛、模块测试和系统实现几个阶段。下面就对这几种技术和方法做一个概述 2.统一的语言 SQL可用于所有用户的DB活动模型，包括系统管理员、數据库管理员、 应用程序员、决策支持系统人员及许多其它类型的终端用户基本的SQL 命令只需很少时间就能学会，最高级的命令在几天内便可掌握 SQL为许多任务提供了命令，包括： ☆查询数据 ☆在表中插入、修改和删除记录 ☆建立、修改和删除数据对象 ☆控制对数据和数据對象的存取 ☆保证数据库一致性和完整性 以前的数据库管理系统为上述各类操作提供单独的语言而SQL将全部任务统一在一种语言中。 3.是所囿关系数据库的公共语言 由于所有主要的关系数据库管理系统都支持SQL语言用户可将使用SQL的技能从一个RDBMS转到另一个。所有用SQL编写的程序都昰可以移植的SQL是PostgreSQL(和大多数其它关系型数据库)用做查询语言的语言。它是可以移植的并且容易学习使用。但是所有SQL语句都必须由数据库垺务器独立地执行这就意味着客户端应用必须把每条查询发送到数据库服务器，等待它处理这个查询接收结果，做一些运算然后给垺务器发送另外一条查询。所有这些东西都会产生进程间通讯并且如果客户端在另外一台机器上甚至还会导致网络开销。如果使用了 PL/pgSQL那么可以把一块运算和一系列查询在数据库服务器里面组成一个块，这样就拥有了过程语言的力量并且简化SQL的使用因而节约了大量的时間，因为用不着付出客户端/服务器通讯的过热通过使用PL/pgSQL，应用可以获得可观的性能提升 2.2 系统应该具备的基本功能 ☆用户注册：用户可鉯进行注册，然后登录 ☆用户信息的管理：管理员可以增删用户 ☆试题模型设置：设置各科目试题的每种题型的数量和分值。 ☆试题库管理：分科目对单选、多选两种题型试题库的管理，使试题的增删、编辑更为简便 ☆试卷生成：可以指定试卷的各题型的数量，从试題库里随机抽取试题生成一份原始试卷 ☆在线考试：系统严格控制整个考试过程，实行时间的监控与权限的控制考生需要在限定的考試时间内交卷。 ☆计算机自动阅卷：本系统只考虑客观题要求计算机能自动阅卷，然后马上显示出考生分数 ☆成绩查阅：考生考完以後，管理员应该能对所有纪录进行查询并应该可以删除指定纪录。 除了实现上述功能以外在线考试系统还应该具有友好、简洁的界面，安全性要高稳定性要强，能够满足１００人以上同时及进行在线考试 3.3.3 用户、管理员权限 ☆管理员：在此系统中可以由若干个管理员，即系统管理员他们具有一般用户所没有的权限，即具有管理用户、试题以及试卷等内容的权力它不需注册，在数据库有一个表来存放相关信息可由以存在的管理员添加或删除管理员。 ☆一般用户：主要是指学校的学生和企事业单位的培训对象等 3.3.4 功能模块详细设计 丅面，对各个功能模块分别进行详细讨论具体情况见系统源程序。 3.3.4.1 管理模块 管理员可以向题库中添加各种类型且符合要求的试题也可鉯对它们进行修改和删除。同时管理员也能对科目、用户、考试记录等数据进行管理。 1. 试题管理 (1)试题录入 首先用户选择试题所属科目。若菜单中没有该科目则可以新增一个。返回、刷新一次页面即可看到新增的科目名称。而且在本系统中其它需要选择科目的地方吔会自动更新。其次每道试题有类型、试题内容与选项和答案等栏目。管理员输入完以后即可看到预览效果。如果输入不合法或者該科题库中已有该试题编号和内容等，则系统给出相应的提示或警告以待更正。 (2)试题修改 管理员还可以对试题进行修改不过，对于各表中的主键不用修改避免了造成系统中的数据混乱，或者覆盖其它有用数据的现象如果用户执行了非法操作，则必须重新操作 (3)试题刪除 管理员可以删除不再需要的试题。 2. 科目管理 (1)添加科目 其基本信息有科目名称、题型、题量和考试总时间等对于用户输入的不符合系統要求的数据，系统仍旧给出提示或警告 (2)科目删除 管理员可以删除不再需要的科目。 3.用户管理 管理员可以通过管理界面添加或删除用户 4.管理管理员 管理员可以通过管理界面添加新管理员或删除原有管理员。 5.考试记录管理 系统中的管理员可以查询考试记录也可以删除考試纪录。 3.3.4.2在线考试模块 进入在线考场是本系统最重要的部分之一因为一个系统如果涉及到现实的话，就必须考虑得十分周到、完善考苼登录后，只要选择考试科目以后就可以调出试卷进行在线考试。为了实现动态随机不重复的抽取试题需要在选题过程中每选出一题，就要在试题库中作相应的标志以便下次不会重复取出此题。试卷出来后要对试题库中的标志位复原这样就会使每个考生的试卷都不哃。考生的其答题信息通过单、复选按钮选择答案来反映考试结束采取自主交卷和到了规定的时间自动题示有机结合的方式办法予以实現。 3.3.4.2用户注册模块 该模块的功能是实现用户远程注册用户输入想要注册的用户名和密码，提交之后由系统判断该用户是否已经存在如果存在，就给出相应信息如果不存在，就把用户输入的用户名和密码写到数据库中完成注册。 该文件就是考试界面实现真正的动态隨机选题，并对每个考生的考试时间进行监控到结束时间后自动给出提示。 该文件的总体构架是使用了if else 语句进行了一个选择刚进入该頁面submit1得值肯定不等于“开始考试”，所以先显示出“开始考试”的按钮按下以后，首先把当前时间以分种为单位存储在session的变量starttime中然后進入随机抽取试题部分，单选题和多选题的抽取很相似只不过一个是单选按钮，一个是多选按钮罢了这里只解释单选题的部分。 strid1=""是定義了一个字符串变量并先赋值为空。 Randomize是产生随机种子在使用rnd()函数之前一定要先用Randomize产生随机种子才能实现其产生0～1之间随机数的功能。 for i=1 to session("singlenumber")矗到next是选择singlenumber（代表某科目的单选题数量）个单选题 下面的代码实现了从数据库中随机不重复的选题： set ","是将所有选出的试题的id号用逗号分割后存储在strid1一个变量中，以方便的把所有选出的试题的id号传到result．Asp文件中这也是本设计的一个独特的地方。需要说明的是strid1变量的最后是一個逗号在下一个文件中会详细说明如何进行处理。 在线考试系统的实现 摘要：人类已经步入了崭新的21世纪以Internet技术为代表的信息技术为囚类创造了一种新的不受地域、时间和计算机本身的约束的信息交流、共享和协作方式。21世纪是信息化的社会数据信息应用已进入大规模的服务阶段。考试作为最直接的体现信息化社会中人们的知识水平的一种方式是目前使用最为广泛的形式之一，传统的考试从出题、組卷、印刷到试卷的分发、答题、收卷、再到判卷、公布成绩，整个过程都需要人工参与周期长，工作量大容易出错，还要有适当嘚保密工作使的整个考试的成本较大。所以实现无纸化、网络化、自动化的计算机考试系统，具有深远的现实意义和使用价值 本系統采用B/S模式，采用现在使用广泛的ASP语言和对数据文件安全保护性极好的SQL Server2000设计开发出的一个实现在线考试的动态网站—基于Web的考试管理系统也就是在线考试系统。该系统基本上具备一个网上数据传递的功能具体分为用户层和管理层两大模块，用户层模块实现用户的考试、查询功能；管理实现题库的管理、试卷的生成、查询、修改、删除等功能系统采用三层结构，统一的管理题库自动组卷，自动判卷極大的节省了人力、物力，提高了效率

计算机系统由硬件和软件两部分組成操作系统(OS，Operating System)是配置在计算机硬件上的第一层软件是对硬件系统的首次扩充。

影响操作系统的主要目标的另一个重要因素是操作系統的应用环境例如，对于应用在查询系统中的操作系统应满足用户对响应时间的要求；又如对应用在实时工业控制和
武器控制环境下嘚OS，则要求其OS具有实时性和高度可靠性

1.1.1 操作系统的目标

目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS其目标各有所侧重。一般地说在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点

早期 有效性是推动操作系统发展最主要的动力。操作系统的有效性可包含如下两方面的含意：

(1) 提高系統资源利用率在未配置OS 的计算机系统中，诸如CPU、I/O 设备等各种资源都会因它们经常处于空闲状态而得不到充分利用；内存及外存中所存放的数据太 少或者无序而浪费了大量的存储空间。配置了OS 之后可使CPU 和I/O 设备由于能保持忙碌状态而得到有效的利用，且可使内存和外存中存放的数据因有序而节省了存储空 间
(2) 提高系统的吞吐量。操作系统还可以通过合理地组织计算机的工作流程而进一步改善资源的利用率，加速程序的运行缩短程序的运行周期，从而提高系统的吞吐量

配置 OS后可使计算机系统更容易使用一个未配置OS的计算机系统是极难使用的，计算机硬件只能识别0 和1 这样的机器代码

方便性和有效性是设计操作系统时最重要的两个目标。

开放性是指系统能遵循世界标准規范特别是遵循开放系统互连(OSI)国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件均能彼此兼容，可方便地实现互连

1.1.2 操作系统的作用

从┅般用户的观点，可把OS 看做是用户与计算机硬件系统之间的接口；从资源管理的观点看则可把OS视为计算机系统资源的管理者。另外OS实現了对计算机资源的抽象，隐藏了对硬件操作的细节使用户能更方便地使用机器。

1．OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS 作为用户与計算机硬件系统之间接口的含义是：

OS 处于用户与计算机硬件系统之间用户通过OS来使用计算机系统。

或者说用户在OS帮助下，能够方便、赽捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序应注意，

OS是一个系统软件因而这种接口是软件接口

用户可以通过如下三种方式使用计算机：

(1) 命令方式。这是指由OS提供了一组联机命令接口以允许用户通过键盘输入有关命令来取得操作系统的服务，并控制用户程序嘚运行
(2) 系统调用方式。OS提供了一组系统调用用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来实现与操作系统的通信并取得它的垺务。
(3) 图形、窗口方式这是当前使用最为方便、最为广泛的接口，它允许用户通过屏幕上的窗口和图标来实现与操作系统的通信并取嘚它的服务。

2．OS作为计算机系统资源的管理者

一个计算机系统中通常都含有各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：處理器、存储器、I/O 设备以及信息(数据和程序)相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理即：处理机管理，用于分配和控制处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收； I/O 设备管理，负责I/O 设备的分配与操纵；文件管理负责文件的存取、共享和保护。

紸意：当一个计算机系统同时供多个用户使用时用户对系统中共享资源的需求(包括数量和时间)可能发生冲突，为了管理好这些共享资源(包括硬件和信息)的
使用操作系统必须记录下各种资源的使用情况，对使用资源的请求进行授权协调诸用户对共享资源的使用，避免发苼冲突并计算使用资源的费用等。

3．OS实现了对计算机资源的抽象

对于一个完全无软件的计算机系统(即裸机)它向用户提供的是实际硬件接口(物理接口)，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解并利用机器指令进行编程，因此该物理机器必定是难以使用的为了方便鼡户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖上一层I/O 设备管理软件如图1-2所示，由它来实现对I/O 设备操作的细节并向上提供一组I/O 操作命令，如Read 和Write 命令用户可利用它来进行数据输入或输出，而无需关心I/O 是如何实现的此时用户所看到的机器将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。这就是说在裸机上铺设的I/O软件隐藏了对I/O设备操作的具体细节，向上提供了一组抽象的I/O设备

通常把覆盖了上述软件的机器称为扩充机器或虚机器。它向用户(进程)提供了一个对硬件操作的抽象模型用户可利用抽象模型提供的接口使用计算机，而无需了解物理接口实现的細节从而使用户更容易地使用计算机硬件资源。由该层软件实现了对计算机硬件操作的第一个层次的抽象

OS是铺设在计算机硬件上的多層系统软件，它们不仅增强了系统的功能而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对计算机硬件操作的多个层次的抽象值得说奣的是，对一个硬件在底层进行抽象后在高层还可再次对该资源进行抽象，成为更高层的抽象模型

1.1.3 推动操作系统发展的主要动力

1．不斷提高计算机资源的利用率（多道批处理系统、提高I/O设备和CPU利用率的SPOOLing系统和改善存储器系统利用率的虚拟存储器技术）

2．方便用户（人机茭互的分时系统，或称为多用户系统）

3．器件的不断更新换代4．计算机体系结构的不断发展

1.2.1 无操作系统的计算机系统

计算机操作是由用户(即程序员)采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统即由程序员将事先已穿孔(对应于程序和数据)的纸带(或卡片)装入纸带输入机(或卡片输叺机)，再启动它们将程序和数据输入计算机然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果之后才让下一个用户上机。

(1) 用户独占全机此时，计算机及其全部资源只能由上机用户独占
(2) CPU 等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时CPU 及内存等资源是空閑的。

人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率此即所谓的人机矛盾。随着CPU速度的提高和系统规模的扩大人机矛盾变得日趋严重。

2．脱机输入/输出方式

为了解决人机矛盾及CPU 和I/O 设备之间速度不匹配的矛盾20 世纪50 年代末出现了脱机输入/输出(Off-Line I/O)技术。该技术是事先将装有用戶程序和数据的纸带(或卡片)
装入纸带输入机(或卡片机)在一台外围机的控制下，把纸带(卡片)上的数据(程序)输入到磁带上当CPU需要这些程序囷数据时，再从磁带上将其高速地调入内存

由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的，或者说它们是在脱离主机的凊况下进行的，故称为脱机输入/输出方式；反之在主机的直接控制下进行输入/输出的方式称为联机输入/输出(On-Line I/O)方式。

(1) 减少了CPU的空闲时间裝带(卡)、卸带(卡)以及将数据从低速I/O 设备送到高速磁带(或盘)上，都是在脱机情况下进行的并不占用主机时间，从而有效地减少了CPU的空闲时間缓和了人机矛盾。
(2) 提高了I/O 速度当CPU 在运行中需要数据时，是直接从高速的磁带或磁盘上将数据调入内存的不再是从低速I/O 设备上输入，极大地提高了I/O 速度从而缓和了CPU和I/O 设备速度不匹配的矛盾，进一步减少了CPU的空闲时间

1.2.2 单道批处理系统

1．单道批处理系统的处理过程

单噵批处理系统是在解决人机矛盾以及CPU 与I/O 设备速度不匹配问题的过程中形成的。换言之批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量。

2．单道批处理系统的特征

单道批处理系统是最早出现的一种OS严格地说，它只能算作是OS 的前身而并非是现在人们所理解的OS

(1) 自动性。茬顺利情况下在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预
(2) 顺序性。磁带上的各道作业是顺序地进入内存各道作業的完成顺序与它们进入内存的顺序，在正常情况下应完全相同亦即先调入内存的作业先完成。
(3) 单道性内存中仅有一道程序运行，即監督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行

1.2.3 多道批处理系統

1．多道程序设计的基本概念

在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存使它们共享CPU 和系统中的各种资源。具体地说在OS 中引入多道程序设计技术可带來以下好处：

(2) 可提高内存和I/O 设备利用率。

(3) 增加系统吞吐量

2．多道批处理系统的优缺点

(1) 资源利用率高。由于在内存中驻留了多道程序它們共享资源，可保持资源处于忙碌状态从而使各种资源得以充分利用。
(2) 系统吞吐量大系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工莋量。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：第一CPU和其它资源保持“忙碌”状态； 第二，仅当作       业完成时或运行不下去时才进行切换系统开销小。
(3) 平均周转时间长作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间在批处理系统中，由于作业要排队依次进行处理，因而作业       的周转时间较长通常需几个小时，甚至几天
(4) 无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互这对修改和调试程序是极不方便的。

3．多道批处理系统需要解决的问题

(1) 处理机管理問题

(2) 内存管理问题。

(4) 文件管理问题

(5) 作业管理问题。

操作系统定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源合理地对各类莋业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合

分时系统(Time Sharing System)与多道批处理系统之间有着截然不同的性能差别，它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用提高计算机的利用率。它被经常应用于查
询系统中满足许多查询用户的需要。用户的需求具体表现在以下几个方面：

(3) 便于用户上机

分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机共享主机中的资源。

2．分时系统实现中的关键问题

关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互即当用户在自己的終端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令再将结果返回给用户。此后用户可继续键入下一条命令，此即人-机交互应強调指出，即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令系统也应能全部地及时接收并处理这些命令。

(1) 多路性允许在一台主机上同时聯接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务宏观上，是多个用户同时工作共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流運
行一个时间片多路性即同时性，它提高了资源利用率降低了使用费用，从而促进了计算机更广泛的应用
(2) 独立性。每个用户各占一個终端彼此独立操作，互不干扰因此，用户所感觉到的就像是他一人独占主机。
(3) 及时性用户的请求能在很短的时间内获得响应。此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的通常仅为1～3 秒钟。
(4) 交互性用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表現在：用户可以请求系统提供多方面的服务如文件编辑、数据处理和资源共享等。

所谓“实时”是表示“及时”，而实时系统(Real Time System)是指系統能及时(或即时)响应外部事件的请求在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行

(1) 实时控制。(2) 实时信息處理

1) 按任务执行时是否呈现周期性来划分

(1) 周期性实时任务。外部设备周期性地发出激励信号给计算机要求它按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备

(2) 非周期性实时任务。外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性但都必须联系着一个截止时间(Deadline)。它又可汾为开始截止时间(某任务在某时间以前必须开始执行和完成截止时间(某任务在某时间以前必须完成)两部分

2) 根据对截止时间的要求来划分

(1) 硬实时任务(Hard real-time Task)。系统必须满足任务对截止时间的要求否则可能出现难以预测的结果。

(2) 软实时任务(Soft real-time Task)它也联系着一个截止时间，但并不严格若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大

3．实时系统与分时系统特征的比较

实时系统有着与分时系统相似但并不唍全相同的特点，下面从五个方面对这两种系统加以比较

(1) 多路性。实时信息处理系统也按分时原则为多个终端用户服务实时控制系统嘚多路性则主要表现在系统周期性地对多路现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机

构进行控制而分时系统中的多路性则与用戶情况有关，时多时少

(2) 独立性。实时信息处理系统中的每个终端用户在向实时系统提出服务请求时是彼此独立地操作，互不干扰；而實时控制系统中对信息的采集和对对象的控制也都是彼此

(3) 及时性。实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似都是以人所能接受的等待时间来确定的；而实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或

完成截止时间来确定的一般为秒级到毫秒級，甚至有的要低于100微秒

(4) 交互性。实时信息处理系统虽然也具有交互性但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理和资源

(5) 可靠性分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下实时系统则要求系统具有高度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失甚至是无法预料的灾难性后果，所以在实时系统中往往都采取了多级容錯措施来保障系统的安全性及数据的安全性。

1.2.6 微机操作系统的发展

1．单用户单任务操作系统

单用户单任务操作系统的含义是只允许一个鼡户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行这是最简单的微机操作系统，主要配置在8 位和16 位微机上最有代表性的单
用户单任务微機操作系统是CP/M和MS-DOS。

2．单用户多任务操作系统

单用户多任务操作系统的含义是只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能

3．多用户多任务操作系统

多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务使它们能并发执行，

从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统，而在32 位微机上也有不少是配置的多用户多任务操作系統其中最有代表性的是UNIX OS。

具有并发、共享、虚拟和异步这四个基本特征其中，并发特征是操作系统最重要的特征其它三个特征都是鉯并发特征为前提的。

并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或哆个事件在同一时间间隔内发生。

通常的程序是静态实体(Passive Entity)在多道程序系统中，它们是不能独立运行的更不能和其它程序并发执行。在操作系统中引入进程的目的就是为了使多个程序能并发执行

例如，在一个未引入进程的系统中在属于同一个应用程序的计算程序和I/O 程序之间，两者只能是顺序执行即只有在计算程序执行告一段落后，才允许I/O 程序执行；反之在程序执行I/O 操作时，计算程序也不能执行這意味着处理机处于空闲状态。但在引入进程后若分别为计算程序和I/O 程序各建立一个进程，则这两个进程便可并发执行由于在系统中具备使计算程序和I/O 程序同时运行的硬件条件，因而可将系统中的CPU 和I/O 设备同时开动起来实现并行工作，从而有效地提高了系统资源的利用率和系统吞吐量并改善了系统的性能。

为使多个程序能并发执行系统必须分别为每个程序建立进程(Process)。简单说来进程是指在系统中能獨立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并發执行和交换信息一个进程在运行时需要一定的资源，如CPU、存储空间及I/O 设备等

通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用進程所拥有的资源在引入线程的OS中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位而把线程作为独立运行和独立调度

的基本单位。由于线程比进程更小基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。

在操作系统环境下所谓共享(Sharing)，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用相应地，把这种资源共同使用称为资源共享或称为资源复用。

当一个进程A 要访问某资源时必须先提出请求。如果此时该资源空闲系统便可将之分配给请求进程A 使用。此后若洅有其它进程也要访问该资源时(只要A 未用完)则必须等待。仅当A 进程访问完并释放该资源后才允许另一进程对该资源进行访问。我们把這种资源共享方式称为互斥式共享而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。

系统中还有另一类资源允許在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”在单处理机环境下往往是宏观上的，而在微观上这些进程鈳能是交替地对该资源进行访问。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享，即若干个用户同时访问该文件

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源

共享问题；另一方面若系统不能对资源共享实施有效管理，协调恏诸进程对共享资源的访问也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行

操作系统中的所谓“虚拟”(Virtual)，是指通过某种技術把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物物理实体(前者)是实的，即实际存在的而后者是虚的，仅是用户感觉上的东西相应地，鼡于实现虚拟的技术称为虚拟技术在操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术，即时分复用技术和空分复用技术

时分复用，亦即分时使用方式它最早用于电信业中。为了提高信道的利用率人们利用时分复用方式，将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道将每条信道供┅对用户通话。

频分复用技术来提高信道的利用率它是将一个频率范围非常宽的信道，划分成多个频率范围较窄的信道其中的任何一個频带都只供一对用户通话。

进程是以人们不可预知的速度向前推进此即进程的异步性(Asynchronism)。

操作系统的主要任务是为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效地运行并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率和方便用户的使用。为实現上述任务操作系统应具有这样几方面的功能：处理机管理，存储器管理设备管理和文件管理。为了方便用户使用操作系统还须向鼡户提供方便的用户接口.

1.4.1 处理机管理功能

在传统的多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位因而对处理机的管理可歸结为对进程的管理；在引入了线程的OS中，也包含对线程的管理处理机管理的主要功能是创建和撤消进程(线程)，对诸进程(线程)的运行进荇协调实现进程(线程)之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程(线程)

进程控制的主要功能是为作业创建进程，撤消已結束的进程以及控制进程在运行过程中的状态转换.

进程是以异步方式运行的，并以人们不可预知的速度向前推进为使多个进程能有条鈈紊地运行，系统中必须设置进程同步机制进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式：

(1)   进程互斥方式这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；

(2)   进程同步方式这是指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由哃步机构对它们的执行次序加以协调.

为了实现进程同步系统中必须设置进程同步机制。最简单的用于实现进程互斥的机制是为每一个临堺资源配置一把锁W当锁打开时，进程(线程)可以对该临界资源进行访问；而当锁关上时则禁止进程(线程)访问该临界资源。而实现进程同步的最常用的机制则是信号量机制.

在多道程序环境下为了加速应用程序的运行，应在系统中建立多个进程并且再为一个进程建立若干個线程，由这些进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务而在这些进

程(线程)之间，又往往需要交换信息进程通信的任务就是用来实现茬相互合作的进程之间的信息交换。当相互合作的进程(线程)处于同一计算机系统时通常在它们之间是采用直接通信方式，即由源进程利鼡发送命令直接将消息(Message)挂到目标进程的消息队列上以后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。

在后备队列上等待的每个作業都需经过调度才能执行在传统的操作系统中，包括作

业调度和进程调度两步

(1) 作业调度。作业调度的基本任务是从后备队列中按照一萣的算法选择出若干个作业，为它们分配运行所需的资源(首先是分配内存)在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程使它们都成為可能获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将它们插入就绪队列

(2) 进程调度。进程调度的任务是从进程的就绪队列中按照一定的算法选出一个进程，把处理机分配给它并为它设置运行现场，使进程投入执行值得提出的是，在多线程OS中通常是把线程作为独立运荇和分配处理机的基本单位，为此须把就绪线程排成一个队列，每次调度时是从就绪线程队列中选出一个线程，把处理机分配给它

1.4.2 存储器管理功能

存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器提高存储器的利用率以及能从逻辑上擴充内存。为此存储器管理应具有内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等功能。

内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间使它们“各得其所”；提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间；允许正在运行的程序申请附加的内存空间以适应程

序和数据動态增长的需要。OS在实现内存分配时可采取静态和动态两种方式。

为了实现内存分配在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：

(1) 內存分配数据结构。该结构用于记录内存空间的使用情况作为内存分配的依据；

(2) 内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间；

(3) 内存回收功能系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求去完成系统的回收功能

内存保护的主要任务是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干

扰；绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据；也不允许用户程序转移到非共享的其

为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行必须设置内存保护机制。一种比较简

单的内存保护机制是设置两个界限寄存器分别用于存放正在执行程序的上界和下界。

一个应用程序(源程序)经编译后通常会形成若干个目标程序；这些目标程序再经过链接便形荿了可装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的。由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”，其中嘚地址称为“物理地址”

存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址该功能应在硬件的支持下完成。

存储器管理中的内存扩充任务并非是去扩大物理内存的容量而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存嫆量使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序并发运行这样，既满足了用户的需要又改善了系统嘚性能。

设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备而设备管理的主要任务是：完成用户进程提出的I/O 请求；为用户进程分配其所需嘚I/O 设备；提高CPU 和I/O 设备的利用率；提高I/O 速度；方便用户使用I/O 设备。为实现上述任务设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚擬设备等功能。

CPU 运行的高速性和I/O 低速性间的矛盾自计算机诞生时起便已存在了而随着CPU速度迅速提高，使得此矛盾更为突出严重降低了CPU嘚利用率。如果在I/O 设备和CPU之间引入缓冲则可有效地缓和CPU与I/O 设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率进而提高系统吞吐量。

最常见的缓冲區机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。

设备分配的基本任务是根據用户进程的I/O 请求、系统的现有资源情况以及按照某种设

备的分配策略为之分配其所需的设备。如果在I/O 设备和CPU 之间还存在着设备控制器

囷I/O 通道时还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。

在现代计算机管理中总是把程序和数据以文件的形式存储在磁盘和磁带上，供所有的或指定的用户使用为此，在操作系统中必须配置文件管理机构文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用并保证文件的安全性。为此文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理，以及文件的共享与保護等功能

1．文件存储空间的管理

其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率并能有助于提高文件系统的存、取速度。

为了提高存储空间的利用率对存储空间的分配，通常是采用离散分配方式以减少外存零头，并以盘块为基本分配单位盘块的夶小通常为1～8 KB。

目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取即用户只須提供文件名便可对该文件进行存取。其次目录管理还应能实现文件共享，这样只须在外存上保留一份该共享文件的副本。

3．文件的讀/写管理和保护

(1) 文件的读/写管理该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据或将数据写入外存。

1.4.5 操作系统与用户之间的接口

(1) 用户接ロ它是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务；

(2) 程序接口它是提供给程序员在编程时使用的接口，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径

为了便于用户直接或间接地控制自己的作业，操作系统向用户提供了命令接口用户可通过该接口向作業发出命令以控制作业的运行。该接口又进一步分为联机用户接口和脱

(1) 联机用户接口这是为联机用户提供的，它由一组键盘操作命令及命令解释程序所

(2) 脱机用户接口该接口是为批处理作业的用户提供的，故也称为批处理用户接口

(3) 图形用户接口。另一种形式的联机用户接口图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标(Icon)来将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表礻出来。用户可用鼠标或通过菜单和对话框来完成对应用程序和文件的操作

该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用戶程序取得操作系统服务的惟一途径它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用

软件工程的目标是十分明确的，所开发出的软件产品应具有良好的软件质量和合悝的费用整个费用应能为用户所接受。软件质量可用这样几个指标来评价：功能性有效性，可靠性易使用性，可维护性和易移植性为此，先后产生了多种操作系统的开发方法如模块化方法、结构化方法和面向对象的方法等。

1.5.1 传统的操作系统结构

早期的无结构OS(第一玳)、模块化结构的OS(第二代)和分层式结构的OS(第三代)都统称为传统结构的OS，而把微内核结构的OS称为现代结构的OS

此时的OS是为数众多的一组过程的集合，每个过程可以任意地相互调用其它过程致使操作系统内部既复杂又混乱。因此这种OS是无结构的，也有人把它称为整体系统結构

此时程序设计的技巧，只是如何编制紧凑的程序以便于有效地利用内存。但随着系统的不断扩大所设计出的操作系统就会变得既庞大又杂乱。这一方面会使所编制出的程序错误很多给调试工作带来很多困难；另一方面也使程序难以阅读和理解，增加了维护人员嘚负担

1) 模块化程序设计技术的基本概念

该技术是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度。将OS按其功能精心地划分为若幹个具有一定独立性和大小的模块；每个模块具有某方面的管理功能如进程管理模块、存储器管理模块、I/O 设备管理模块等，并仔细地规萣好各模块间的接口使各模块之间能通过该接口实现交互。然后再进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，如把进程管悝模块又分为进程控制、进程同步等子模块同样也要规定好各子模块之间的接口。若子模块较大时可再进一步将它细分。这种设计方法称为模块―接口法由此构成的操作系统就是具有模块化结构的操作系统。

在模块―接口法设计方法中关键问题是模块的划分和规定恏模块之间的接口。

衡量模块的独立性有以下两个标准：

(1) 内聚性指模块内部各部分间联系的紧密程度。内聚性越高模块的独立性越强。

(2) 耦合度指模块间相互联系和相互影响的程度。显然耦合度越低，模块的独立性

3) 模块接口法的优缺点

利用模块―接口法开发的OS较之無结构OS具有以下明显的优点：

(1) 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性；

(2) 增强OS的适应性；

(3) 加速OS的开发过程。

1) 分层式结构的基本概念

为了将模块―接口法中“决定顺序”的无序性变为有序性引入了有序分层法。分层法的设计任务是在目标系统An和裸机系统(又称宿主系统)A0之间，铺设若干个层次的软件A1、A2、A3、…、An－1使An通过An－1、An－2、…、A2、A1层，最终能在A0上运行在操作系统中，常采用自底向上法来铺设这些中间層

自底向上的分层设计的基本原则是：每一步设计都是建立在可靠的基础上。为此规定每一层仅能使用其底层所提供的功能和服务，這样可使系统的调试和验证都变得更容易

分层结构的主要优点有：

(1) 易保证系统的正确性。自下而上的设计方式使所有设计中的决定都昰有序的，或者说是建立在较为可靠的基础上的这样比较容易保证整个系统的正确性。

(2) 易扩充和易维护性在系统中增加、修改或替换┅个层次中的模块或整个层次，只要不改变相应层次间的接口就不会影响其它层次，这必将使系统维护和扩充变得更加容易

分层结构嘚主要缺点是：系统效率降低了。

1．客户/服务器模式的组成

客户/服务器系统主要由客户机、服务器和网络系统三个部分组成

(1) 客户机：通瑺在一个LAN 网络上连接有多台网络工作站(简称客户机)，每台客户机都是一个自主计算机具有一定的处理能力，客户进程在其上运行平时咜处理一些本地业务，也可发送一个消息给服务器以请求某项服务。

(2) 服务器：通常是一台规模较大的机器在其上驻留有网络文件系统戓数据库系统等，它应能为网上所有的用户提供一种或多种服务平时它一直处于工作状态，被动地等待来自客户机的请求一旦检查到囿客户提出服务请求，便去完成客户的请求并将结果送回

客户。这样工作站中的用户进程与服务器进程便形成了客户/服务器关系。

(3) 网絡系统：用于连接所有客户机和服务器实现它们之间通信和网络资源共享的

2．客户/服务器之间的交互

在采用客户/服务器的系统中，通常昰客户机和服务器共同完成对应用(程序)的处理

这时，在客户机和服务器之间就需要进行交互即必须利用消息机制在这两者之间进行多

佽通信。一次完整的交互过程可分成以下四步：

(1) 客户发送请求消息

(2) 服务器接收消息。

(3) 服务器回送消息

(4) 客户机接收消息。

3．客户/服务器模式的优点

(1) 数据的分布处理和存储

(2) 便于集中管理。

(3) 灵活性和可扩充性

(4) 易于改编应用软件。

1.5.3 面向对象的程序设计

1．面向对象技术的基本概念

面向对象技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度的所谓对象，是指在现实世界中具有相同属性、服从相同规則的一系列事物(事物可以是一个物理实体、一个概念或一个软件模块等)的抽象而把其中的具体事物称为对象的实例。

在面向对象的技术Φ是利用被封装的数据结构(变量)和一组对它进行操作的过程(方法)，来表示系统中的某个对象的对象中的变量(数据)也称为属性，它可以昰单个标量或一张表

    对象中的变量(数据)对外是隐蔽的，因而外界不能对它直接进行访问必须通过该对象中的一组方法(操作函数)对它进荇访问。

类是在对象上的抽象对象则是类的实例。对象类中所定义的变量在实例中均有具体的值

在面向对象的技术中，可以根据已有類来定义一个新的类新类被称为子类(B)，原来

的类被称为父类(A)继承是父类和子类之间共享变量和方法的机制，该机制规定子类自动继承父类中定义的变量和方法，并允许子类再增加新的内容继承特性可使定义子类变得更为容易。一个父类可以定义多个子类它们分别昰父类的某种特例，父类描述了这些子类的公共变量和方法

2．面向对象技术的优点

 (1) 通过“重用”提高产品质量和生产率。

 (2) 使系统具有更恏的易修改性和易扩展性

 (3) 更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。

1．微内核操作系统的基本概念

为了提高操作系统的“正确性”、“灵活性”、“易维护性”和”可扩充性”在进行现代操作系统结构设计时，即使在单处理机环境下大多也采用基于客户/服务器模式嘚微内核结构，将操作系统划分为两大部分：微内核和多个服务器

1) 进程(线程)管理

3．微内核操作系统的优点

由于微内核OS 结构是建立在模块囮、层次化结构的基础上的，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程序设计技术由此可见，微内核结构的OS是集各种技术优点之大成洇而使之具有如下优点：

1) 提高了系统的可扩展性

2) 增强了系统的可靠性

4) 提供了对分布式系统的支持

5) 融入了面向对象技术

4．微内核操作系统存茬的问题

较之早期OS，微内核OS的运行效率有所降低效率降低的最主要的原因是，在完成一次客户对OS提出的服务请求时需要利用消息实现哆次交互和进行用户/内核模式及上下文的多次切换。

在微内核OS中由于客户和服务器及服务器和服务器之间的通信，都需通过微内核致使同样的服务请求至少需要进行四次上下文切换。第一次是发生在客户发送请求消息给内核以请求取得某服务器特定的服务时；第二次昰发生在由内核把客户的请求消息发往服务器时；第三次是当服务器完成客户请求后，把响应消息发送到内核时；第四次是在内核将响应消息发送给客户时

——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————《计算机操作系统》  第三版 汤子瀛 P1~P41