程序设计基础

暨南大学 林龙新

教师简介• 教育背景

– 1997年，华中理工大学，计算机应用，学士– 2002年，华中科技大学，通信工程，硕士– 2008年，华南理工大学，计算机应用技术，博士– 2014 - 2015年，弗吉尼亚联邦大学，访问学者

• 工作经历– 1997-2005，广州金鹏集团，产品经理、研发部长、集团战略发展部部长等，工程师– 2009 – 至今，暨南大学，信息科学技术学院，副教授，硕士生导师– 曾承担过多家IT企业的高级顾问和联合创始人等

• 研究兴趣和联系方式– AI、知识图谱、计算机网络、SDN/NFV、网络安全、分布式和高性能计算等– tlinlx@jnu.edu.cn

参考和个人教学网站• 主要参考书籍

– 《计算机科学导论》（第 3 版） Behrouz Forouzan 著， 刘艺、刘哲雨等译，机械工业出版社。

– 《计算机科学概论（原书第5 版）》，内尔·黛尔（NellDale），约翰·路易斯（JohnLewis） 著，吕云翔，刘艺博 译，机械工业出版社。

– 《计算机科学概论（第 12 版）》，J.格伦·布鲁克希尔（J.Glenn Brookshear），丹尼斯·布里罗（Dennis Brylow） 著，刘艺，吴英，毛倩倩 译，人民邮电出版社。

• 个人教学网站– https://icerg.longxinlin.com/

PART I 计算机核心概念

目 录• Chapter 0. 知识图谱• Chapter 1. 计算机的起源• Chapter 2. 事物的数据化• Chapter 3. 数据的处理• Chapter 4. 现代计算机组成• Chapter 5. 操作系统• Chapter 6. 算法• Chapter 7. 程序设计语言

• Chapter 8. 软件工程• Chapter 9. 数据结构• Chapter 10. 数据库• Chapter 11. 计算机网络和网络

编程

Chapter 5 操作系统

1.操作系统定义和自举过程• 定义

– 操作系统（Operation System， OS）是计算机硬件和用户(程序和人）之间的一个接口，它使得其他程序更加方便有效地运行，并能方便地对计算机硬件和软件资源进行访问。

– 目的：有效地使用硬件，容易使用资源

1.操作系统定义和自举过程• 自举过程

– 计算机加电后，从ROM中读取启动指令，还是执行启动程序（BIOS）。– 把操作系统内核Load到内存– 执行OS的第1条指令，开始运行操作系统– 操作系统执行后，为用户提供服务。(可以想象为一个不停响应用户请求的超级服务者）

2. 设计思考• 假设现状

– 一台计算机由1个CPU，1个主内存，硬盘，键盘，鼠标，显示器。– 要运行多个程序，使得用户感觉在“一段时间内”“同时”做几件事情，例如：“用word

编辑文字”，“微信聊天”。– 注意：CPU每一个时刻只能执行一条指令。– 操作系统到底如何办到？

• 分析– “用word编辑文字”肯定是个程序，由数万条指令构成– “微信聊天”也是个程序，由数万条指令构成– 他们如何体现“同时”？

3. 组成部分• 四大核心功能

– 进程管理 ： CPU的高效利用– 存储管理： 主内存的高效利用– 设备管理：各类输入/输出设备的合理使用– 文件管理：信息的持久化– 此外：包含面向用户的用户界面部分

3. 组成部分• 存储管理

– 单道程序• 只有一道程序在执行• 程序必须被载入内存• 当一道程序运行时，其他程序不能被运行

3. 组成部分• 存储管理

– 多道程序• 可以在一段时间内同时运行多道程序• 程序采用“伪并行”（并发）的方式执行

3. 组成部分• 存储管理

– 虚拟内存• 物理内存不够，使用外

部存储器来虚拟实际的物理内存

• 速度会慢好几个数量级

3. 组成部分• 进程管理

– 对计算资源的有效利用– 程序、作业和进程

• 程序(Program)：程序员编制的源代码文件、可执行文件、可运行脚本等• 作业(Job)：一个程序被选中执行，到其运行结束并再次成为一个程序的完整过程。• 进程(Process)：一个正在运行的程序• 线程（Thread）：进程的可执行部分。 进程 = 数据 + 线程

3. 组成部分• 进程管理

– 程序、作业和进程的状态图

3. 组成部分• 进程管理

– 调度器• 作业调度器• 进程调度器

– 分时间片调度举例• 其他调度器

4. 栈(Stack)和堆(Heap)• 栈

– 每个线程用于执行函数时用于临时保存参数、局部变量所需的内存空间– 每个线程有自己独立的栈空间

• 堆– 所有线程共享内存空间。C/C++ 等malloc，new操作， Java中的new运算就是对不同的

数据对象从堆中分配内存。

5. 程序、进程、线程和协程• 程序

– 完成一件事情的计算机指令的集合，例如： QQ软件，包含QQ.exe 文件等存储在硬盘上的文件集合。

• 进程– 程序被操作系统调入内存后执行的实体。包含：文件在内存中的镜像、相应的数据资源、多

个执行任务线程。可以这样理解：进程相当于一场春节晚会，包含：舞台、乐器、节目等。一个个的节目就等同于线程，舞台、乐器等是这些线程公共的数据资源。所以：

– 进程 = 共享数据资源 + 线程集合

• 线程– 操作系统进行轮询调度的基本单位，是进程的组成部分。

• 协程(Coroutine)– 协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。比线程更小级别。– Go语言在语言级支持协程，javascript框架 react， node.js 等大量采用协程思想

6. 总结• 对于一个程序员

– 在操作系统方面，最重要的是要掌握好进程、线程和内存管理方面的概念。– 因为计算资源和内存资源是最重要的计算机资源

• 进程、线程、协程等概念的重要性– 如果堆进程、线程等不能透彻理解，是无法编制高效的多进程、多线程等并发和并行程序的

。所谓程序员进阶也是空谈。