操作系統(tǒng)原理

PrinciplesofOperatingSystem前言前言一、課程簡介：

《操作系統(tǒng)》是計算機專業(yè)的核心課程之一，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論與實踐并重的課程。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)配置的基本軟件之一。它在整個計算機系統(tǒng)軟件中占有中心地位。操作系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，直接影響整個計算機系統(tǒng)的性能和用戶對計算機的使用。一個精心設(shè)計的操作系統(tǒng)能極大地擴充計算機系統(tǒng)的功能，充分發(fā)揮系統(tǒng)中各種設(shè)備的使用效率，提高系統(tǒng)工作的可靠性。操作系統(tǒng)的作用是對計算機系統(tǒng)進行統(tǒng)一的調(diào)度和管理，提供各種強有力的系統(tǒng)服務(wù)，為用戶創(chuàng)造既靈活又方便的使用環(huán)境。操作系統(tǒng)是所有其他軟件與計算機硬件的唯一接口，所有用戶在使用計算機時都要得到操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。前言二、為什么要學習操作系統(tǒng)

設(shè)計操作系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有的系統(tǒng)存在人們意識不到的大量“操作系統(tǒng)”（如:嵌入式系統(tǒng)）加深對使用的OS的理解，有利于深入編程。用戶為了開發(fā)應(yīng)用程序必須與操作系統(tǒng)打交道編程時借鑒操作系統(tǒng)的設(shè)計思想和算法。操作系統(tǒng)中所用的許多概念和技巧可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域選擇購買操作系統(tǒng)因我們并不總使用Win98/NT/2000/XP前言三、課程的地位和特點本課程地位

專業(yè)核心課程

考研核心課程

技術(shù)開發(fā)的理論基礎(chǔ)課程的特點實踐性強（從實踐總結(jié)出原理）涉及面廣（并行程序，性能問題，結(jié)構(gòu)問題，程序方法論，軟件工程等等）錯綜復雜，縱橫交錯

前言四、課程任務(wù)和要求

1.任務(wù)

通過本課程的學習,掌握操作系統(tǒng)的基本概念、設(shè)計原理及實施技術(shù),具有初步分析操作系統(tǒng)和設(shè)計、實現(xiàn)、開發(fā)實際操作系統(tǒng)的能力。

2.基本要求

通過理論學習和上機操作,使學生能掌握操作系統(tǒng)的基本概念、基本原理及基本功能.了解Linux操作系統(tǒng)、WINDOWSServer2003操作系統(tǒng)的基本輪廓,具有初步分析實際操作系統(tǒng)、設(shè)計、構(gòu)造和開發(fā)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本能力。前言五、課程內(nèi)容介紹操作系統(tǒng)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境介紹操作系統(tǒng)原理、設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)介紹操作系統(tǒng)的演化過程、發(fā)展研究動向、新技術(shù)以及新思想介紹各種有代表性的、典型的操作系統(tǒng)實例培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的基本能力，培養(yǎng)創(chuàng)造型人才。前言六、學習要求課前預習教材，獨立完成作業(yè)按時上課，認真聽講研讀參考書，查閱相關(guān)資料，多實踐整理筆記，認真思考，積極討論，善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并努力尋求問題的答案結(jié)合操作系統(tǒng)學習網(wǎng)站豐富的教學資源,努力尋求問題的答案，掌握基本原理,拓展知識，延伸視野，提高分析問題和解決問題的能力。操作系統(tǒng)原理

PrinciplesofOperatingSystem第1章操作系統(tǒng)概論§1.1操作系統(tǒng)的概念1.1.1計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.問題的引入：下面列舉了一些大家熟悉的軟件，你能說出它們的區(qū)別嗎？極品飛車、RealonePlayer播放器、VisualC++、Flash、DreamweaverMX2004、Linux、Unix、WindowsXP、Word、Windows優(yōu)化大師、Oracal、升達大學學生管理系統(tǒng)

§1.1操作系統(tǒng)的概念2.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n財務(wù)系統(tǒng)航空訂票上網(wǎng)瀏覽電子商務(wù)科學計算（應(yīng)用程序）編譯程序匯編程序編輯程序數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)程序）操作系統(tǒng)計算機硬件………

提供了一良好的工作環(huán)境，方便用戶的使用§1.1操作系統(tǒng)的概念2.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)（裸機）：提供基本的可計算性資源，包括CPU、存儲器（主存、輔存）、I/O系統(tǒng)

操作系統(tǒng)層：對硬件作擴充和改造，提供了操作系統(tǒng)接口，為編譯程序、編輯程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等的設(shè)計者提供有力支撐。

系統(tǒng)軟件：建立在操作系統(tǒng)改造和擴充過的機器上，提供擴展指令集，實現(xiàn)各種語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和其他系統(tǒng)程序。

應(yīng)用軟件：解決用戶不同的應(yīng)用問題§1.1操作系統(tǒng)的概念1.1.2操作系統(tǒng)的視圖（作用）1.操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件之間的接口。用戶A(上網(wǎng)）用戶B(欣賞音樂）用戶C(辦公）瀏覽器播放器辦公軟件用戶需求操作界面計算機硬件

操作系統(tǒng)屏蔽計算機硬件的物理特性差異，給用戶提供了接口§1.1操作系統(tǒng)的概念2.操作系統(tǒng)為用戶提供虛擬計算機裸機極難使用，雖有很強的指令系統(tǒng)，從功能上來說局限性很大。加上軟件后，就可在硬件基礎(chǔ)上，對其功能和性能進行擴充和完善。例如：如果加上一層窗口管理軟件，由該軟件把一臺物理屏幕改造成多窗口，每個應(yīng)用可以在各自的窗口中操作，用戶可以在窗口環(huán)境中方便地與計算機交互。操作系統(tǒng)是緊靠硬件的第一層軟件，計算機上覆蓋操作系統(tǒng)后，可擴展基本功能，為用戶提供一臺功能顯著增強，使用更加方便，安全可靠性好，效率明顯提高的機器，稱為虛擬計算機，或操作系統(tǒng)虛擬機器（VirtualMachine）。

§1.1操作系統(tǒng)的概念3.操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)的資源管理者

在計算機系統(tǒng)中，能分配給用戶使用的硬件和軟件設(shè)施總稱為資源，包括兩大類：硬件資源和信息資源。這些資源是可以共享的。對資源進行抽象研究，找出各種資源共性和個性，有序地管理計算機中的硬件、軟件資源，跟蹤資源使用情況，監(jiān)視資源的狀態(tài)，滿足用戶對資源的需求，協(xié)調(diào)各程序?qū)Y源的使用沖突，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的任務(wù)之一?！?.1操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)是控制和管理計算機硬件和軟件資源，合理地對各種資源進行分配和調(diào)度，規(guī)范計算機工作流程，方便用戶使用的程序的集合。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它常駐內(nèi)存，給用戶程序提供一個支撐環(huán)境，所以，操作系統(tǒng)有哪些成分組成變得非常重要。一個比較公認的定義是操作系統(tǒng)是一直運行在計算機上的系統(tǒng)程序（通常稱為內(nèi)核），其它程序則為應(yīng)用程序，運行在操作系統(tǒng)提供的良好環(huán)境中?！?.1操作系統(tǒng)的概念1.1.3現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特點：

現(xiàn)代操作系統(tǒng)盡管種類繁多，功能差別很大，但它們?nèi)匀痪哂幸恍┕餐奶卣鳌，F(xiàn)代操作系統(tǒng)具有并發(fā)性、共享性、虛擬性和不確定性。

1.并發(fā)性（concurrence)

并發(fā)性是指兩個或多個事件或活動在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)是一個并發(fā)的系統(tǒng)，并發(fā)性是它最重要的特性。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計算機系統(tǒng)中同時存在若干個運行的程序，這些程序在執(zhí)行時間上重疊?！?.1操作系統(tǒng)的概念

2．共享性(sharing)

共享性是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的另一個重要特征。共享是指系統(tǒng)中的硬件和軟件資源不再為某個程序所獨占，而是供多個用戶共同使用。資源共享的方式有兩種：（1）互斥訪問。系統(tǒng)中的某些資源，如打印機、磁帶機等，它們雖然可以提供給多個程序使用，但在同一時間段內(nèi)卻只允許一個程序訪問這些資源，即要求互相排斥地使用這些資源。（2）同時訪問。計算機系統(tǒng)中還有一些資源，允許同一時間內(nèi)多個程序?qū)λ鼈冞M行訪問。典型的可同時訪問的設(shè)備是磁盤，各種可重入程序也可被同時訪問?！?.1操作系統(tǒng)的概念3．虛擬性(virtual)

虛擬性是指操作系統(tǒng)采用的一種管理技術(shù)，它把一個物理上的實體，變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物，或者把物理上的多個實體變成邏輯上的一個對應(yīng)物的技術(shù)。很顯然，物理實體(前者)是實的，而后者是虛擬的。

4．異步性(asynchronism)

在多道程序環(huán)境下，允許多個進程并發(fā)執(zhí)行，但由于競爭資源等因素的限制，使進程的執(zhí)行不是“一氣呵成”，而是以“走走停?！钡姆绞竭\行。也就是說，在多道程序環(huán)境下，程序的執(zhí)行是以異步方式進行的?！?.1操作系統(tǒng)的概念1.1.4操作系統(tǒng)的功能

1．處理機管理創(chuàng)建或刪除用戶進程和系統(tǒng)進程；暫?；蛑貑⑦M程；提供進程同步機制；提供進程通信機制；提供死鎖處理機制；§1.1操作系統(tǒng)的概念2．存儲管理

操作系統(tǒng)負責下列內(nèi)存管理的活動：記錄內(nèi)存的哪些部分正在被使用及被誰使用。當內(nèi)存空間可用時，決定哪些進程可以裝入內(nèi)存。根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。確保多道程序環(huán)境下，各個程序的運行只在自己內(nèi)存空間運行，互不干擾。當內(nèi)存空間不足時，采取何種策略去擴展邏輯內(nèi)存?！?.1操作系統(tǒng)的概念

3．設(shè)備管理提供外圍設(shè)備的控制與處理

提供緩沖區(qū)的管理

提供設(shè)備獨立性

外圍設(shè)備的分配和驅(qū)動調(diào)度實現(xiàn)虛擬設(shè)備

§1.1操作系統(tǒng)的概念4．文件管理創(chuàng)建或刪除文件

創(chuàng)建或刪除目錄

提供操作文件和目錄的原語

將文件映射到輔存上

在穩(wěn)定的存儲媒介上備份文件

§1.1操作系統(tǒng)的概念

5．用戶接口管理6.其他功能系統(tǒng)安全網(wǎng)絡(luò)和通信管理§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.1人工操作階段

由用戶（程序員）采用手工方式直接控制和使用計算機硬件，即由用戶（程序員）將事先準備好的程序和數(shù)據(jù)穿孔在紙帶或卡片上，然后將這些紙帶或卡片裝入紙帶或卡片輸入機，啟動它們將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機，隨后啟動計算機運行。當程序運行結(jié)束取走結(jié)果后，才讓另一個用戶上機。這種人工操作方式有以下缺陷：（1）用戶上機獨占全機資源，造成資源利用率不高，系統(tǒng)效率低下。（2）手工操作多，浪費處理機時間，也極易發(fā)生差錯。（3）數(shù)據(jù)的輸入，程序的執(zhí)行、結(jié)果的輸出均聯(lián)機進行，從上機到下機的時間拉得非常長。

§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.2管理程序階段——操作系統(tǒng)的雛形

操作員集中一批用戶提交的作業(yè)，由管理程序?qū)⑦@批作業(yè)從紙帶或卡片機輸入到磁帶上，每當一批作業(yè)輸入完成后，管理程序自動把磁帶上的第一個作業(yè)裝入內(nèi)存，并把控制權(quán)交給作業(yè)。當該作業(yè)執(zhí)行完成后，作業(yè)又把控制權(quán)繳回管理程序，管理程序再調(diào)入磁帶上的第二個作業(yè)到內(nèi)存執(zhí)行。§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.3多道批處理系統(tǒng)——現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)出現(xiàn)所謂多道程序設(shè)計（multiprogramming）是指允許多個程序同時進入一個計算機系統(tǒng)的主存儲器并啟動進行計算的方法。也就是說，計算機內(nèi)存中同時存放多道（二個以上相互獨立的）程序，它們都處于開始和結(jié)束點之間。從宏觀上看是并行的，多道程序都處于運行中，并且都沒有運行結(jié)束；從微觀上看是串行的，各道程序輪流使用CPU，交替執(zhí)行。

§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展例如：設(shè)在內(nèi)存中有三道程序A、B、C，并按A、B、C的優(yōu)先次序執(zhí)行，其內(nèi)部計算和I/O操作時間如下表所示（單位：ms)。操作ABC計算306020I/O403040計算101020若采用單道方式運行這三道程序,總的運行時間為:30+40+10+60+30+10+10+20+40+20=260ms§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展若采用多道方式運行(一個I/O處理機)這三道程序,總的運行時間為:30+40+10+20+30+40+20=190ms

其運行時間關(guān)系圖如下:ABCI/O處理機30404010203040201020190mst§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計的好處:

一是提高了CPU的利用率，二是提高了內(nèi)存和I/O設(shè)備的利用率，三是改進了系統(tǒng)的吞吐率，四是充分發(fā)揮了系統(tǒng)的并行性。其主要缺點是:作業(yè)周轉(zhuǎn)時間延長?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.4分時系統(tǒng)與實時系統(tǒng)的出現(xiàn)——操作系統(tǒng)步入實用化

1.分時系統(tǒng)：允許多個聯(lián)機用戶同時使用一臺計算機系統(tǒng)進行計算的操作系統(tǒng)稱分時操作系統(tǒng)（TimeSharingOperatingSystem）分時操作系統(tǒng)具有以下特性：（1）多路性：允許在一臺主機上同時聯(lián)接多臺聯(lián)機終端，系統(tǒng)按分時原則為每個用戶服務(wù)。（2）獨立性：每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾。（3）及時性：用戶的請求能在很短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。（4）交互性：用戶可通過終端與系統(tǒng)進行廣泛的人機對話。§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.實時操作系統(tǒng)：實時操作系統(tǒng)（RealTimeOperatingSystem)指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定時間內(nèi)來控制監(jiān)控的生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。實時系統(tǒng)的實現(xiàn):硬實時系統(tǒng):保證任務(wù)按時完成軟實時系統(tǒng):§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展3.操作系統(tǒng)的三種基本類型的比較批處理系統(tǒng)的特點是“多道、成批自動處理”，優(yōu)點是“資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大”，缺點是“等待時間長、沒有交互能力”；分時系統(tǒng)的特點“同時性、交互性、獨立性和及時性”，優(yōu)點是“響應(yīng)快，便于資源共享”；實時系統(tǒng)的特點“響應(yīng)迅速，可靠性高，系統(tǒng)專用”，與分時系統(tǒng)相比，交互性較弱?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.5操作系統(tǒng)的進一步發(fā)展

1.微機操作系統(tǒng)現(xiàn)代的微機操作系統(tǒng)具有GUI、多用戶多任務(wù)、虛擬存儲管理、網(wǎng)絡(luò)通信支持、數(shù)據(jù)庫支持、多媒體支持、應(yīng)用程序編程接口（API)支持等功能,以最大程度的滿足個人用戶的使用要求。典型的微機操作系統(tǒng)有Windows、OS2、MACOS和Linux等。§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem)能夠控制計算機在網(wǎng)絡(luò)中方便的傳送信息和共享資源，并能為網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種所需服務(wù)的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有兩種工作模式：（1）客戶機/服務(wù)器（Client/Server)模式。（2）對等模式（peer-to-peer）。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)除了具有操作系統(tǒng)的基本功能外，還應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)通信、資源管理和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。目前比較流行的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有：Linux、Unix、WindowsServer2000/2003等?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)分布式計算機系統(tǒng)是一種特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在分布式系統(tǒng)中。每臺計算機高度自治，又相互協(xié)調(diào)，能在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理，任務(wù)分配，能并行地運行分布式程序。分布式系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)別在于：在分布式系統(tǒng)中，多臺自主的計算機對用戶是透明的（或者說是不可見的）。也就是說，在分布式系統(tǒng)中，用戶覺察不到多個處理機的存在，用戶面對的是一臺虛擬的單處理機。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，用戶必須明確指出在哪臺機器上登錄，明確地運行遞交的任務(wù)，明確地指定文件傳輸?shù)哪康牡亍！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展3.并行系統(tǒng)和集群系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)（也稱為并行系統(tǒng)）有多個緊密通信的處理器，它們共享計算機總線、時鐘，有時還有內(nèi)存和外設(shè)等。多處理機系統(tǒng)有對稱多處理（SMP)和非對稱多處理兩種模式。集群系統(tǒng)（ClusterSystem)將多個CPU集中起來完成計算任務(wù)。然而，集群系統(tǒng)與并行系統(tǒng)不同，它是有兩個或多個獨立的系統(tǒng)耦合起來。集群的定義尚未定形，通常接受的定義是集群計算機共享存儲并通過LAN網(wǎng)絡(luò)緊密連接。

§1.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展4.嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)指運行在嵌入式(計算機)環(huán)境中，對整個系統(tǒng)及所有操作的各種部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、處理、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)具有通常操作系統(tǒng)的功能，包括：與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)核心功能（文件系統(tǒng)、存儲管理、設(shè)備管理、進程管理、處理器管理和中斷處理）、功能強大的還提供圖形界面、通信協(xié)議、小型瀏覽器等設(shè)施。嵌入式操作系統(tǒng)硬件平臺的局限性、應(yīng)用環(huán)境的多樣性、開發(fā)手段的特殊性，使它與一般操作系統(tǒng)有很大不同?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展1.2.6實例研究：Windows和Linux的發(fā)展歷程

1.Linux系統(tǒng)

Linux是類Unix操作系統(tǒng)大家族中的一員。從20世紀90年代末開始，Linux這位相對較新的成員突然變得非常流行，并且躋身于那些有名的商用Unix操作系統(tǒng)之列。1991年，LinusTorvalds開發(fā)出最初的Linux，它作為一個適用于基于Intel80386微處理器的IBMPC兼容機的操作系統(tǒng)。Linus將這個系統(tǒng)放到Internet上，允許人們自由下載，許多人對Linux進行改進、擴充、完善，做出了關(guān)鍵性貢獻。Linux由最初一個人寫的原型變成在Internet上由無數(shù)志同道合的程序高手們參與的一場運動?！?.2操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展2.Windows系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)是由微軟公司開發(fā)的操作系統(tǒng)。從1983年微軟宣布Windows的誕生到現(xiàn)在的WindowsServer2003，Windows已經(jīng)走過了20多年，并且成為風靡全球的微機操作系統(tǒng)。目前個人計算機上采用Windows操作系統(tǒng)的占90%。1983年11月，比爾.蓋茨宣布推出Windows，但是一直到1985年11月微軟公司才正式發(fā)布Windows1.0版。1987年12月，Windows2.0正式供貨。1990年5月22日，微軟推出Windows3.0。從此，在許多獨立軟件開發(fā)商和硬件廠商的支持下，微軟的Windows在市場中逐漸開始取代DOS成為操作系統(tǒng)平臺的主流軟件?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.1操作系統(tǒng)的設(shè)計

操作系統(tǒng)是一個龐雜的大型系統(tǒng)的軟件,因此,操作系統(tǒng)的設(shè)計是一個復雜的過程。以IBM公司的OS/360系統(tǒng)為例，它由4000個模塊組成，共約100萬條指令，花費5000人年，經(jīng)費達數(shù)億美元。1.操作系統(tǒng)的設(shè)計目標一個高質(zhì)量的操作系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、高效性、可擴充性、易移植性、安全性和兼容性等特征。

2.操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)設(shè)計原則：機制與實現(xiàn)相分離

§1.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.2操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.整體式結(jié)構(gòu)整體式操作系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是：把模塊作為操作系統(tǒng)的基本單位，按照功能需要而不是根據(jù)程序和數(shù)據(jù)的特性把整個操作系統(tǒng)分解成若干個模塊，每個模塊具有一定的功能，若干個關(guān)聯(lián)模塊協(xié)作完成某個功能。各個模塊可以不加控制，自由調(diào)用，每個模塊經(jīng)獨立設(shè)計、編碼和調(diào)試后連接成一個完整的系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：程序結(jié)構(gòu)緊密，接口簡單直接，系統(tǒng)效率高，但是也有一定的缺陷，如模塊獨立性差，模塊之間牽連太多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰，系統(tǒng)的正確性難以保證，可靠性降低，擴充性差等?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.層次結(jié)構(gòu)所謂層次結(jié)構(gòu)就是把操作系統(tǒng)所有的功能模塊按照功能的調(diào)用次序分別排成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或單向調(diào)用（如：只允許上層或外層模塊調(diào)用下層或內(nèi)層模塊）關(guān)系，這樣不但操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰，而且不構(gòu)成循環(huán)。層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：整體問題局部化，系統(tǒng)的正確性可通過各層正確性來保證。增加、修改或替換層次不影響其他層次，有利于系統(tǒng)的維護和擴充?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)OS分層原則1）把與機器硬件有關(guān)的程序模塊放在最底層

2)反映系統(tǒng)外特性的軟件放在最外層

3)按照實現(xiàn)操作系統(tǒng)命令時模塊間的調(diào)用次序或按進程間單向發(fā)送信息的順序來分層

4)為進程的正常運行創(chuàng)造環(huán)境和提供條件的內(nèi)核程序應(yīng)該盡可能放在底層?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.客戶/服務(wù)器（微內(nèi)核）結(jié)構(gòu)客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的思想：將操作系統(tǒng)分成兩大部分，一是運行在用戶態(tài)并以C/S方式活動的進程;二是運行在核心態(tài)的內(nèi)核運行在核心態(tài)的內(nèi)核把該消息傳給服務(wù)器;服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)操作，再通過內(nèi)核用消息把結(jié)果返回給用戶。內(nèi)核只實現(xiàn)極少任務(wù)，主要起信息驗證、交換的作用，因而，稱微內(nèi)核(Microkernel)，這種結(jié)構(gòu)也就稱為客戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)?！?.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.客戶/服務(wù)器（微內(nèi)核）結(jié)構(gòu)客戶進程客戶進程進程服務(wù)器終端服務(wù)器文件服務(wù)器內(nèi)存服務(wù)器。。。內(nèi)核（消息轉(zhuǎn)發(fā)站）客戶通過向服務(wù)器進程發(fā)送消息來獲得服務(wù)用戶進程操作系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)容§1.4實例研究：Windows和Linux結(jié)構(gòu)1.4.1WindowsServer2003的結(jié)構(gòu)采用基于對象技術(shù)，提出了一種C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在純微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了擴展，融合了層次式結(jié)構(gòu)和純微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點。對操作系統(tǒng)性能影響很大的組件放在內(nèi)核下運行，其他功能則在內(nèi)核外實現(xiàn)。主要優(yōu)點是模塊化程度高、靈活性大、便于維護、系統(tǒng)性能好?！?.4實例研究：Windows和Linux結(jié)構(gòu)系統(tǒng)線程NTDLL.DLLService.exeRPCSpooler事件日志服務(wù)進程任務(wù)管理器IE瀏覽器用戶程序子系統(tǒng)DLL應(yīng)用程序POSIXOS2WIN32環(huán)境子系統(tǒng)服務(wù)管理器安全驗證Win登錄會話管理器系統(tǒng)進程核心態(tài)用戶態(tài)Win32UserGDI圖形驅(qū)動器硬件抽象層(HAL)設(shè)備驅(qū)動程序內(nèi)核對象管理器核心態(tài)可調(diào)用接口(執(zhí)行程序API)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度進程I/O管理器文件緩存管理進程線程管理安全訪問監(jiān)視虛存管理局部過程調(diào)用注冊表配置管理器電源管理器即插即用管理硬件接口（總線、I/O、時鐘、計時器、中斷、DMA、CACHE控制器）

§1.4實例研究：Windows和Linux結(jié)構(gòu)1.4.2Linux的結(jié)構(gòu)模型用戶程序GNU工具與硬件無關(guān)的代碼（可移植的）系統(tǒng)調(diào)用接口與硬件相關(guān)的代碼（不可移植的）硬件二進制指令系統(tǒng)用戶程序GNU工具系統(tǒng)調(diào)用接口硬件控制程序（不可移植的）硬件二進制指令系統(tǒng)文件子系統(tǒng)進程控制子系統(tǒng)編程工具包內(nèi)核硬件（a）Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)粗略模型（b）Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細模型重點概念和內(nèi)容提示操作系統(tǒng)的概念、特點和功能多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)的基本類型：批處理系統(tǒng)分時系統(tǒng)實時系統(tǒng)ThankYouVeryMuch!第2章操作系統(tǒng)的界面§2.1系統(tǒng)生成和啟動2.1.1系統(tǒng)的生成在系統(tǒng)生成過程中，下列信息必須確定：（1）CPU的類型。CPU的類型決定了系統(tǒng)的指令集；（2）內(nèi)存的容量。內(nèi)存容量的確定能夠保證系統(tǒng)在合法的地址范圍內(nèi)活動，合理安排可用內(nèi)存；（3）可用設(shè)備的類型和數(shù)量；系統(tǒng)需要知道如何訪問設(shè)備、設(shè)備的中斷號、設(shè)備類型和模型以及任何特別的設(shè)備特點；（4）操作系統(tǒng)的功能選項或使用的參數(shù)。這些選項或值可能包括需要使用多少和多大的緩沖區(qū)，需要什么類型的CPU調(diào)度算法，所支持進程的最大數(shù)量是多少，等等?！?.1系統(tǒng)生成和啟動2.1.2系統(tǒng)的啟動1.初始引導階段現(xiàn)代多數(shù)計算機使用固化在ROM中的BIOS來啟動計算機。BIOS包括中斷服務(wù)程序、系統(tǒng)設(shè)置程序、POST(PoweronSelfTest)上電自檢和BIOS系統(tǒng)啟動自舉程序。BIOS中斷服務(wù)程序來完成硬件設(shè)備的初始化；系統(tǒng)設(shè)置程序用來設(shè)置CMOS的參數(shù)，該程序一般通過在啟動計算機時，按Del健進入CMOS設(shè)置過程；POST上電自檢程序完成對硬件配制的檢測，如發(fā)現(xiàn)問題將給出提示或鳴笛警告；而BIOS系統(tǒng)啟動自舉程序是按照系統(tǒng)CMOS中設(shè)置的啟動順序搜尋軟、硬盤驅(qū)動器及CD-ROM等，讀入存放在該設(shè)備特定位置的操作系統(tǒng)引導記錄（該記錄在磁盤的0面0磁道1扇區(qū)）到內(nèi)存的特定位置，然后將控制權(quán)交給引導記錄，由該引導記錄將內(nèi)核代碼從文件系統(tǒng)中裝入內(nèi)存，以便完成系統(tǒng)的啟動。

§2.1系統(tǒng)生成和啟動2.核心初始化階段

在操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼裝入內(nèi)存后，引導程序?qū)⒖刂茩?quán)轉(zhuǎn)交給內(nèi)核可執(zhí)行代碼，從此核心代碼開始執(zhí)行。內(nèi)核首先進行初始化工作，包括對硬件以及接口電路的初始化，對內(nèi)核所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行初始化。

3.系統(tǒng)初始化階段這一階段是前兩個階段的繼續(xù)，其主要任務(wù)是做好準備工作，使系統(tǒng)處于命令接受狀態(tài)，這時用戶就可使用計算機來完成自己的工作。在這個階段，操作系統(tǒng)為用戶創(chuàng)建工作環(huán)境，接受并解釋執(zhí)行用戶的程序和指令。例如：Window系統(tǒng)啟動出現(xiàn)桌面，Unix/Linux系統(tǒng)啟動出現(xiàn)的命令行界面或X-Window界面，均表明系統(tǒng)已經(jīng)成功啟動，用戶可以使用計算機了?！?.2操作系統(tǒng)的界面2.2.1操作系統(tǒng)提供的服務(wù)

?執(zhí)行程序：系統(tǒng)必須能將程序裝入內(nèi)存并運行該程序。?數(shù)據(jù)I/O：程序運行時可能需要I/O操作。?信息存?。河脩舭凑瘴募麃斫?、讀寫、修改以及刪除文件，使信息的存取更加方便、可靠。

?通信服務(wù)：一個進程需要與另外一個進程交換信息。

?錯誤檢測和處理：操作系統(tǒng)通常需要知道可能出現(xiàn)的錯誤?！?.2操作系統(tǒng)的界面2.2.2操作系統(tǒng)接口

操作系統(tǒng)計算機用戶程序接口（系統(tǒng)調(diào)用）命令接口、圖形接口§2.2操作系統(tǒng)的界面2.2.2操作系統(tǒng)的接口1.命令接口在當前幾乎所有的計算機（從大、中型機到微型機）的操作系統(tǒng)都向用戶提供了命令接口，以實現(xiàn)用戶與計算機之間的交互。用戶使用命令接口來與計算機進行交互時，首先必須在終端上鍵入正確的操作命令，由終端處理程序接收用戶鍵入的命令，并將它顯示在終端屏幕上。當一條命令輸入完成后，操作系統(tǒng)的命令解釋程序?qū)τ脩糨斎氲拿钸M行分析，然后執(zhí)行相應(yīng)的命令處理程序。操作系統(tǒng)的命令接口應(yīng)包括一組命令、終端處理程序和命令解釋程序。其中，命令解釋程序的主要作用是在屏幕上給出提示符，請求用戶輸入命令，然后讀入命令，并識別命令，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的命令處理程序去執(zhí)行，并將處理結(jié)果送屏幕上顯示。若用戶鍵入的命令有錯，命令解釋程序未能識別，或在執(zhí)行過程中出現(xiàn)錯誤，則顯示出錯信息?！?.2操作系統(tǒng)的界面大家比較熟悉的命令解釋程序有MS-DOS/windows98的，windows2000的cmd.exe以及UNIX/Linux的shell程序。下面列舉出部分常用DOS內(nèi)部命令（具體的應(yīng)用的含義和應(yīng)用，可用help<command>來查找）磁盤操作類：chkdsk磁盤檢查；fdisk磁盤分區(qū)；format磁盤格式化文件和目錄類：md建立目錄；cd設(shè)置或顯示當前目錄；rd刪除目錄；copy復制文件；rename文件更名；del刪除文件；type顯示文件內(nèi)容其他類：ver顯示版本號；time顯示系統(tǒng)時間；date顯示系統(tǒng)日期§2.2操作系統(tǒng)的界面2.圖形用戶接口（GUI)為了方便用戶地使用，Apple公司在20世紀80年代中期推出了圖形用戶接口（GUI）。使用GUI來操作計算機，用戶不需要記憶復雜的操作命令，只需要用鼠標點擊代表相應(yīng)命令的圖形（稱為圖標）來運行程序，因而極大地方便了用戶。3.程序接口程序接口又稱應(yīng)用編程接口API（ApplicationProgrammingInterface），允許運行程序調(diào)用操作系統(tǒng)的服務(wù)和功能?！?.2操作系統(tǒng)的界面程序接口由一組系統(tǒng)調(diào)用（SystemCall)）組成，用戶程序使用“系統(tǒng)調(diào)用”就可獲得操作系統(tǒng)的底層服務(wù)，使用或訪問系統(tǒng)的各種軟硬件資源。從某種角度上看，進行系統(tǒng)調(diào)用就象進行一個特殊的過程調(diào)用。但是，系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)與一般的過程調(diào)用的實現(xiàn)相比，兩者間有很大的差異。系統(tǒng)調(diào)用可以進入操作系統(tǒng)內(nèi)核，而過程調(diào)用則不能進入操作系統(tǒng)的內(nèi)核。對于系統(tǒng)調(diào)用，控制是由原來的用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)態(tài)，這是借助于中斷和陷入機制來完成的，在該機制中包括中斷和陷入硬件機構(gòu)和中斷和陷入處理程序兩部分。§2.2操作系統(tǒng)的界面系統(tǒng)調(diào)用的格式隨計算機的不同而不同，但對任何不同的計算機都有以下共同的特點：（1）每個系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)一個功能號，要調(diào)用操作系統(tǒng)的某一特定例程，必須在指令中給出對應(yīng)的功能號。

(2)按功能號實現(xiàn)調(diào)用的過程大體相同，即都是通過對功能號的解釋分別轉(zhuǎn)入對應(yīng)例行子程序?！?.2操作系統(tǒng)的界面SystemCall用戶程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系統(tǒng)調(diào)用處理子程序取系統(tǒng)功能號找入口地址表相應(yīng)入口地址結(jié)束處理恢復現(xiàn)場A0A1…Ai…An保護CPU現(xiàn)場陷入指令系統(tǒng)調(diào)用陷入機構(gòu)入口地址表§2.2操作系統(tǒng)的界面Linux系統(tǒng)調(diào)用Linux系統(tǒng)調(diào)用由兩部分組成：核心函數(shù)是實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用功能的(內(nèi)核)代碼。接口函數(shù)是提供給應(yīng)用程序的API,以庫函數(shù)形式存在Linux的lib.a中。Linux系統(tǒng)調(diào)用入口程序entry.sENTRY(sys-call-table).longSYMBOL-NAME(sys-ni-syscall)0.longSYMBOL-NAME(sys-exit)1.longSYMBOL-NAME(sys-fork)2.longSYMBOL-NAME(sys-read)3.longSYMBOL-NAME(sys-write)4.longSYMBOL-NAME(sys-open)5.longSYMBOL-NAME(sys-close)6

．

.longSYMBOL-NAME(sys-vfork)190§2.2操作系統(tǒng)的界面Win32API和UNIX/Linux系統(tǒng)調(diào)用粗略對應(yīng)關(guān)系UNIX/LinuxWin32說明forkCreatProcess創(chuàng)建進程

waitpidWaitForSingleObject等待進程終止open/closeCreatFile/CloseHandle創(chuàng)建或打開/關(guān)閉文件read/writeReadFile/WriteFile讀/寫文件lseekSetFilePointer移動文件指針mkdir/rmdirCreat/RemoveDirectory建立/刪除目錄statGetFileAttributesEx獲得文件屬性重點概念和內(nèi)容提示操作系統(tǒng)接口的分類和特點系統(tǒng)調(diào)用的概念和執(zhí)行過程ThankYouVeryMuch!第3章處理機管理§3.1進程的概念3.1.1進程的引入

1.進程的引入:多道程序在執(zhí)行時，需要共享系統(tǒng)資源，從而導致各程序在執(zhí)行過程中出現(xiàn)相互制約的關(guān)系，程序的執(zhí)行表現(xiàn)出間斷性的特征。這些特征都是在程序的執(zhí)行過程中發(fā)生的，是動態(tài)的過程，而傳統(tǒng)的程序本身是一組指令的集合，是一個靜態(tài)的概念，無法描述程序在內(nèi)存中的執(zhí)行情況，即我們無法從程序的字面上看出它何時執(zhí)行，何時停頓，也無法看出它與其它執(zhí)行程序的關(guān)系，因此，程序這個靜態(tài)概念已不能如實反映程序并發(fā)執(zhí)行過程的特征。為了深刻描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的性質(zhì)，人們引入“進程（Process）”概念。

§3.1進程的概念2.進程的概念:進程的概念是60年代初首先由麻省理工學院的MULTICS系統(tǒng)和IBM公司的CTSS/360系統(tǒng)引入的。進程是一個具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。它可以申請和擁有系統(tǒng)資源，是一個動態(tài)的概念，是一個活動的實體。它不只是程序的代碼，還包括當前的活動，通過程序計數(shù)器的值和處理寄存器的內(nèi)容來表示。進程是操作系統(tǒng)中最基本、重要的概念。是多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻畫系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的動態(tài)情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各道程序的活動規(guī)律引進的一個概念,所有多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)都建立在進程的基礎(chǔ)上。§3.1進程的概念操作系統(tǒng)引入進程的概念的原因:從理論角度看，是對正在運行的程序過程的抽象；從實現(xiàn)角度看，是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目的在于清晰地刻劃動態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，有效管理和調(diào)度進入計算機系統(tǒng)主存儲器運行的程序。進程的特征動態(tài)性：進程的實質(zhì)是程序的一次執(zhí)行過程，進程是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的。并發(fā)性：任何進程都可以同其他進程一起并發(fā)執(zhí)行獨立性：進程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統(tǒng)分配資源和調(diào)度的獨立單位；異步性：由于進程間的相互制約，使進程具有執(zhí)行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進結(jié)構(gòu)特征：進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊三部分組成?！?.1進程的概念進程與程序的關(guān)系程序是指令的有序集合，其本身沒有任何運行的含義，是一個靜態(tài)的概念。而進程是程序在處理機上的一次執(zhí)行過程，它是一個動態(tài)的概念。程序可以作為一種軟件資料長期存在，而進程是有一定生命期的。程序是永久的，進程是暫時的。進程更能真實地描述并發(fā)，而程序不能；進程是由程序和數(shù)據(jù)兩部分組成的。進程具有創(chuàng)建其他進程的功能，而程序沒有。同一程序同時運行于若干個數(shù)據(jù)集合上，它將屬于若干個不同的進程。也就是說同一程序可以對應(yīng)多個進程。

§3.1進程的概念3.1.2進程的狀態(tài)

一個進程從創(chuàng)建而產(chǎn)生至撤銷而消亡的整個生命周期，可用一組狀態(tài)加以刻劃，,按進程在執(zhí)行過程中的狀況至少定義三種不同的進程狀態(tài)：運行態(tài)（Running）是指當前進程已經(jīng)分配到CPU，它的程序正在處理機上執(zhí)行的狀態(tài)。就緒狀態(tài)（Ready）是指已具備運行條件，但因為其他進程正在占用CPU,使它暫時不能運行而處于等待分配CPU的狀態(tài)。阻塞狀態(tài)（Blocked）是指進程因等待某種事件發(fā)生（例如等待I/O操作完成，等待其他進程發(fā)來的信號）而暫時不能運行的狀態(tài)，也就是說，處于阻塞狀態(tài)的進程尚不具備運行條件，即使CPU空閑它也無法使用?！?.1進程的概念§3.1進程的概念引起進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因運行態(tài)→等待態(tài)：等待使用資源或某事件發(fā)生；等待態(tài)→就緒態(tài)：資源得到滿足或事件發(fā)生；運行態(tài)→就緒態(tài)：運行時間片到；出現(xiàn)有更高優(yōu)先權(quán)進程。就緒態(tài)→運行態(tài)：CPU空閑時選擇一個就緒進程?！?.1進程的概念進程五態(tài)模型及其轉(zhuǎn)換運行態(tài)就緒態(tài)等待態(tài)選中落選出現(xiàn)等待事件等待事件結(jié)束新建態(tài)終止態(tài)§3.1進程的概念新建態(tài)對應(yīng)進程剛被創(chuàng)建的狀態(tài)。為一個新進程創(chuàng)建必要的管理信息，它并沒有被提交執(zhí)行，而是在等待操作系統(tǒng)完成創(chuàng)建進程的必要操作。進程的終止，首先,等待操作系統(tǒng)進行善后，然后,退出主存。進入終止態(tài)的進程不再執(zhí)行，但依然臨時保留在系統(tǒng)中等待善后。一旦其他進程完成了對終止態(tài)進程的信息抽取之后，系統(tǒng)將刪除該進程。

§3.1進程的概念掛起狀態(tài)的引入掛起等待事件結(jié)束出現(xiàn)等待事件解除掛起掛起落選選中運行態(tài)就緒態(tài)等待事件結(jié)束終止態(tài)新建態(tài)掛起就緒態(tài)解除掛起掛起掛起等待態(tài)等待態(tài)提交提交§3.1進程的概念例題：

1．如果系統(tǒng)中有N個進程，運行的進程最多幾個，最少幾個；就緒進程最多幾個最少幾個；等待進程最多幾個，最少幾個？[解答]：在單處理機系統(tǒng)中，處于運行狀態(tài)的進程最多為1個，最少為0個；處于就緒進程最多為N-1個，最少為0個；處于阻塞的進程最多為N個，最少為0個。2.有沒有這樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，為什么？ （1）等待—運行；（2）就緒—等待§3.1進程的概念3.1.3進程的描述——進程控制塊進程在內(nèi)存的活動可以用進程上下文（ProcessContext）來描述。在操作系統(tǒng)中，把進程的物理實體和支持進程運行的環(huán)境合稱為進程上下文。進程的運行被認為是在進程的上下文中執(zhí)行的。在操作系統(tǒng)中，進程的上下文由用戶級上下文、系統(tǒng)級上下文和寄存器上下文組成。進程控制塊（PCB）是進程組成中最關(guān)鍵的部分，是系統(tǒng)對進程進行控制和管理的依據(jù)，是進程存在的唯一標志。當系統(tǒng)創(chuàng)建一個新進程就要為它創(chuàng)建一個PCB;當進程終止后，系統(tǒng)收回其PCB，該進程在系統(tǒng)中就不存在了。進程與PCB是一一對應(yīng)的?！?.1進程的概念進程控制塊的組成：進程名特征信息進程狀態(tài)信息調(diào)度優(yōu)先權(quán)通信信息現(xiàn)場保護區(qū)資源需求進程實體信息族系關(guān)系其他信息§3.1進程的概念§3.1進程的概念進程控制塊的組織：§3.1進程的概念3.1.4實例研究——Linux進程在Linux內(nèi)核中，代表一個進程的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是structtask_struct，它就是前面提到的具有實際意義的進程控制塊，Linux把它命名為task_struct結(jié)構(gòu)，原代碼見include/linux/sched.h文件。每一個可以獨立調(diào)度的進程必須擁有它自己的進程控制塊，或者說進程和進程控制塊之間是一一對應(yīng)的。Linux定義了五種進程狀態(tài)：TASK_RUNNING、TASK_INTERRUPTIBLE

、TASK_UNINTERRUPTIBLE

、TASK_MOMBIE

和TASK_STOPPED

。§3.1進程的概念TASK_RUNNING狀態(tài)：該狀態(tài)表示進程要么在CPU上執(zhí)行，要么在就緒隊列中等待調(diào)度程序調(diào)度執(zhí)行。TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)：該狀態(tài)表示進程處于可中斷的等待狀態(tài)，也就是說處于等待隊列中的進程，可被其他進程產(chǎn)生的一個信號或一個硬件中斷所喚醒，使其狀態(tài)變?yōu)門ASK_RUNNING狀態(tài)。TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)：該狀態(tài)表示進程處于不可中斷的等待狀態(tài)。不可中斷的等待狀態(tài)是指等待進程不能被其他進程產(chǎn)生的一個信號所喚醒或改變成另一個狀態(tài)。當進程打開一個設(shè)備文件時，才會用到這種狀態(tài)?！?.1進程的概念TASK_MOMBIE狀態(tài)：該狀態(tài)表示進程中止執(zhí)行，并且釋放了運行時的大部分資源，但尚未釋放自己的進程控制塊時所處的一種狀態(tài)。TASK_STOPPED狀態(tài)：該狀態(tài)表示進程的執(zhí)行被暫停。當一個進程被另一個進程監(jiān)控時，任何信號都可以把這個進程的狀態(tài)變成暫停狀態(tài)。另外，當進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN和SIGTOU時，也將轉(zhuǎn)變成暫停狀態(tài)?！?.1進程的概念僵死TASK_ZOMBIE就緒TASK_RUNNING不可中斷TASK_UNINTERRUPTIBLE可中斷TASK_INTERRUPTIBLE停止TASK_STOPPED占有CPU運行調(diào)度schedulle

時間片到申請資源未果，調(diào)用interruptible_sleep_on()申請資源未果，調(diào)用sleep_on()申請資源可用后wake_up()申請資源可用，收到信號、wake_up()wake_up_interruptible()創(chuàng)建do_fork()執(zhí)行do_exit()跟蹤系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行syscall_trace()sys_exit()schedulle()收到SIG_KILL或SIG_CONT后，執(zhí)行wake_up()§3.2進程控制3.2.1進程控制機構(gòu)

1.操作系統(tǒng)內(nèi)核

操作系統(tǒng)內(nèi)核就是操作系統(tǒng)的核心，它是基于硬件的第一層軟件擴展，提供操作系統(tǒng)最基本的功能，是操作系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計中，通常將一些與硬件相關(guān)的模塊，如中斷處理程序、各種常用設(shè)備的驅(qū)動程序以及運行頻率較高的模塊等，將它們常駐內(nèi)存，以提高操作系統(tǒng)的運行效率，并對它們加以特殊的保護。通常把這一部分程序稱為操作系統(tǒng)的內(nèi)核。§3.2進程控制2.原語

原語（primitive）是機器指令的延伸，是由若干條指令構(gòu)成，用于完成特定功能的過程。原語是操作系統(tǒng)核心，它不是由進程而是由一組程序模塊所組成，是操作系統(tǒng)的一個組成部分，它必須在管態(tài)（一種機器狀態(tài))下執(zhí)行.原語都是原子操作.所謂原子操作是指一個操作中所有動作，要么全做，要么全不做，即原子操作是一個不可分割的操作。

§3.2進程控制3.2.2進程控制

1.進程的創(chuàng)建

進程在執(zhí)行過程中，能通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建多個新進程，創(chuàng)建進程稱為父進程，而新進程稱為該進程的子進程。這些新進程仍然可以再創(chuàng)建其他進程，從而形成了進程樹。根ABCGFED祖先§3.2進程控制

1.進程的創(chuàng)建

創(chuàng)建進程必須調(diào)用創(chuàng)建原語來實現(xiàn)。創(chuàng)建原語的主要功能是創(chuàng)建一個指定標識符的進程，形成進程的PCB。一個典型的進程創(chuàng)建原語可描述如下：Create(s0,m0,pi){p=Get_New_PCB();//分配新的PCBpid=Get_New_PID();//分配進程的PIDp—>ID=pid;//設(shè)置進程的PIDp->CPU_State=s0;//CPU的狀態(tài)

p->Memory=m0;//內(nèi)存p->Priority=pi;//優(yōu)先級p->Status.Type=‘Ready’;//進程狀態(tài)p->Status.List=RL;//進程隊列……Insert(RL,p);//將進程p插入就緒隊列

Scheduler();//調(diào)度程序}§3.2進程控制

2.進程的阻塞

正在運行的進程因為提出服務(wù)請求（如I/O操作）未被操作系統(tǒng)立即滿足，或者所需數(shù)據(jù)尚未到達等原因，只能轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)，等待相應(yīng)事件出現(xiàn)后再把它喚醒。阻塞原語可描述如下：Block(){p=Get_PCB();//獲取當前進程的進程控制塊s=p->Status.Type;//保存當前進程的狀態(tài)cpu=p->Processor_ID;//處理機狀態(tài)p->CPU_State=Interrupt(cpu);//保存處理機現(xiàn)場

p->Status.Type=‘Blocked’；//將進程的狀態(tài)改為阻塞

Insert(BL,p);//將進程插入等待隊列

Scheduler();}§3.2進程控制

3.進程的喚醒

當阻塞的進程所等待的事件出現(xiàn)時（如所需數(shù)據(jù)已到達，或者等待的I/O操作已經(jīng)完成），則由另外的與阻塞進程相關(guān)的進程（如完成I/O操作的進程）調(diào)用喚醒原語，將等待該事件的進程喚醒。阻塞進程不能喚醒自己。喚醒原語的執(zhí)行過程如下：

Wakeup(pid){P=Get_PCB(pid);//獲取進程控制塊Remove(p->Status.List,p);//從阻塞隊列中移出進程pp->Status.Type=‘Ready’;//進程的狀態(tài)改為就緒Insert(RL,p);//將進程插入到就緒隊列Scheduler();//調(diào)度程序}§3.2進程控制

4.進程的終止

進程完成了任務(wù)，或者在執(zhí)行過程發(fā)生異常，這時系統(tǒng)就要終止當前進程的執(zhí)行。終止進程的執(zhí)行，可用進程終止原語來實現(xiàn)。一個典型進程終止原語如下：Destroy(pid){P=Get_PCB(pid);//獲取進程控制塊Kill_Tree(p);//刪除整個進程樹Scheduler();//調(diào)度器}§3.2進程控制Kill_Tree(P){for(eachqinp->Creation.Tree.Child)Kill_Tree(q);//刪除當前進程的所有子進程qif（p->Status.Type=‘Running’）{cpu=p->Processor_ID;Interrupt(cpu);}Remove(p->Status.List,p);Release_all(p->Memory);Release_all(p->Other_Resources);Close_all(p->Open_Files);Delete_PCB(p);}§3.2進程控制3.2.3實例研究：Linux和Windows系統(tǒng)創(chuàng)建進程

1.Linux系統(tǒng)中進程創(chuàng)建——fork

在Linux系統(tǒng)中，用戶或系統(tǒng)可以使用系統(tǒng)調(diào)用fork來創(chuàng)建一個新的進程。fork的函數(shù)原形為：

pid_tfork()當一個進程調(diào)用fork創(chuàng)建一個子進程后，父進程和子進程都在自己獨立的地址空間內(nèi)執(zhí)行。它們之間不共享任何地址空間，但是父子進程具有相同的程序代碼、數(shù)據(jù)和堆棧段，因此，為了區(qū)別運行中的父子進程，fork系統(tǒng)調(diào)用向父子進程返回不同的值。它向子進程返回0，而向父進程返回子進程的PID?！?.2進程控制……..Beforefork()After……..forkfork執(zhí)行前一個控制流進入內(nèi)核fork模塊。。。。Beforefork()After………。。。。Beforefork()After………forkfork執(zhí)行后調(diào)用后，從fork返回兩個控制流父進程子進程/*Thefilecreate.cintroducestheuseoffork.*/#include<stdio.h>main(){intpid;printf(“Before:mypidis%d.\n”,getpid());pid=fork();//createnewprocessif(pid==-1)//出錯處理perror(“Cannotforkprocess!”);//errorelseif(pid==0)//子進程代碼printf(“Iamthechild.Mypidis%d.\n”,getpid());else//父進程代碼printf(“Iamtheparent.Mychildis%d.\n”,pid);}§3.2進程控制2.Windows系統(tǒng)中進程的創(chuàng)建——CreateProcess

在windows系統(tǒng)，一個進程可以調(diào)用win32API的CreateProcess函數(shù)來創(chuàng)建一個新的進程及其主線程，以執(zhí)行指定的任務(wù)。在利用CreateProcess建立進程時，操作系統(tǒng)要為新進程分配新的地址空間和資源，建立新的主線程。一旦新進程建立，父進程仍然使用原來的地址空間繼續(xù)執(zhí)行，而新進程則在新的地址空間執(zhí)行一個新的程序。CreateProcess含有10個參數(shù)來指定建立進程的方式，具體參數(shù)的含義可參考相關(guān)的Win32API手冊。#include<windows.h>#include<stdio.h>#include<string.h>…………STARTUPINFOstartInfo;PROCESS_INFORMATIONprocessInfo;……strcpy(lpCommandLine,“c:\\WINNT\\SYSTEM32\\NOTEPAD.EXEtemp.txt”);ZeroMemory(&startupInfo,sizeof(startInfo));startInfo.cb=sizeof(startInfo);if(!CreateProcess（NULL,lpCommandLine,NULL,NULL,FALSE,HIGH_PRIORTY_CLASSCREATE_NEW_CONSOLE,NULL,NULL,&startInfo,&processInfo)){fprintf(stderr,”CreateProcessfailed!”);ExitProcess(1);}……CloseHandle(&processInfo.hThread);§3.3線程3.3.1線程的概念1.單線程程序的缺點：進程切換開銷大進程通信代價大進程之間的并發(fā)性粒度較粗，并發(fā)度不高不適合并行計算和分布并行計算的要求不適合客戶/服務(wù)器計算的要求。§3.3線程2.線程概念：線程（Thread）是進程內(nèi)的一個執(zhí)行單位或進程內(nèi)的一個可調(diào)度的實體，是CPU使用的基本單元。它由線程ID、程序計數(shù)器、寄存器集合和堆棧組成。它與屬于同一進程的其他線程共享其代碼段、數(shù)據(jù)段和其他操作系統(tǒng)資源（如打開文件和信號）。在引入線程的現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，進程是資源分配的單位，而線程是處理機調(diào)度的單位。一個進程可以創(chuàng)建一個或多個線程，因而一個進程中的多個線程就會爭奪CPU，在不同的狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。也就是說，與進程類似，線程也是一個動態(tài)的概念，也有一個從創(chuàng)建到消亡的生命過程，在這一過程中它具多種狀態(tài)，如運行、就緒、阻塞和終止等幾個狀態(tài)。§3.3線程§3.3線程線程應(yīng)用舉例：例1：LAN中的一個文件服務(wù)器，在一段時間內(nèi)需要處理幾個文件請求。有效的方法是：為每一個請求創(chuàng)建一個線程。例2：一個線程顯示菜單，并讀入用戶輸入；另一個線程執(zhí)行用戶命令。例3：考慮一個應(yīng)用：由幾個獨立部分組成，這幾個部分不需要順序執(zhí)行，則每個部分可以以線程方式實現(xiàn)。當一個線程因I/O阻塞時，可以切換到同一應(yīng)用的另一個線程。§3.3線程多線程編程具有以下優(yōu)點：（1）響應(yīng)程度高（2）資源共享（3）經(jīng)濟（4）多處理器體系結(jié)構(gòu)的利用

§3.3線程3.進程與線程的比較地址空間：不同進程的地址空間是獨立的，而同一進程內(nèi)的線程共享同一地址空間。一個進程的線程在另一個進程內(nèi)是不可見的。調(diào)度：在支持線程的操作系統(tǒng)中，進程是資源分配的基本單位，而線程是處理機調(diào)度的基本單位。并發(fā)性：同一進程內(nèi)的線程可以并發(fā)執(zhí)行,不同進程間的線程也可以并發(fā)執(zhí)行,并發(fā)能力進一步增強。系統(tǒng)開銷：進程切換時將涉及到有關(guān)資源指針的保存以及地址空間的變化等問題，線程切換時，由于同一進程內(nèi)的線程共享資源和地址空間，將不涉及資源信息的保存和地址變化問題，從而減少了操作系統(tǒng)的開銷時間。

§3.3線程3.3.2線程的實現(xiàn)1.用戶級線程用戶線程在內(nèi)核之上支持，并在用戶層通過線程庫來實現(xiàn)。線程庫提供對線程的創(chuàng)建、調(diào)度和管理的支持而無須內(nèi)核支持。由于內(nèi)核并不知道用戶級的線程，所以所有線程的創(chuàng)建和調(diào)度都是在用戶空間內(nèi)進行的，而無須內(nèi)核的干預。用戶級線程通常能快速的創(chuàng)建和管理，但它們也有缺點。例如，如果內(nèi)核是單線程的，那么任何一個用戶級線程若執(zhí)行阻塞系統(tǒng)調(diào)用，就會引起整個進程阻塞，即使還有其他線程可以在應(yīng)用程序內(nèi)運行。

§3.3線程2.內(nèi)核級線程內(nèi)核級線程由操作系統(tǒng)直接支持，內(nèi)核在其空間內(nèi)執(zhí)行線程的創(chuàng)建、調(diào)度和管理。因為線程管理是由操作系統(tǒng)完成的，所以內(nèi)核線程的創(chuàng)建和管理要慢于用戶線程的創(chuàng)建和管理。由于內(nèi)核管理線程，當一個線程執(zhí)行阻塞系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核能調(diào)度應(yīng)用程序內(nèi)的另一個線程以便執(zhí)行。而且，在多處理器環(huán)境下，內(nèi)核能在不同處理器上調(diào)度線程。

§3.3線程3.3.3多線程模型1.多對一模型多對一模型將許多用戶級線程映射到一個內(nèi)核線程。線程管理是在用戶空間進行的，因而效率比較高，但是如果一個線程執(zhí)行了阻塞系統(tǒng)調(diào)用，那么整個進程就會阻塞。而且，因為任何時刻只有一個線程訪問內(nèi)核，多個線程不能并行運行在多處理器上。在這種模型中，處理機調(diào)度的單位仍然是進程。Greenthread,Solaris2所提供的線程庫就是用了這種模型。另外，在不支持內(nèi)核級線程的操作系統(tǒng)上所實現(xiàn)的用戶級線程庫也使用多對一模型?！?.3線程2.一對一模型一對一模型將每個用戶線程映射到一個內(nèi)核線程。該線程模型在一個線程執(zhí)行阻塞時，能允許另一個線程繼續(xù)執(zhí)行，所以它提供了比多對一模型更好的并發(fā)功能。它也允許多個線程運行在多處理機系統(tǒng)上。這種模型的缺點是創(chuàng)建一個用戶線程就需要創(chuàng)建一個相應(yīng)的內(nèi)核線程。創(chuàng)建內(nèi)核線程的開銷會影響應(yīng)用程序的性能，所以這種模型的絕大多數(shù)實現(xiàn)限制了系統(tǒng)所支持的線程數(shù)量。WindowsNT/2000/xp和OS/2實現(xiàn)了一對一模型。§3.3線程3.多對多模型多對多模型多路復用了許多用戶級線程到同樣數(shù)量或更小數(shù)量的內(nèi)核線程上。內(nèi)核線程的數(shù)量可能與特定應(yīng)用程序或特定機器有關(guān)。

多對多模型克服前面兩種模型的缺點，開發(fā)人員可以創(chuàng)建任意多的必要的線程，并且相應(yīng)內(nèi)核線程能在多處理器系統(tǒng)上并行運行。而且，當一個線程執(zhí)行阻塞系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核能調(diào)度另一個線程來執(zhí)行。

§3.3線程用戶空間線程庫P內(nèi)核空間2）用戶級線程用戶空間P內(nèi)核空間1）內(nèi)核級線程用戶空間線程庫PP內(nèi)核空間3）混合式線程ULTKLTProcessP§3.3線程3.3.4線程池線程池的的實現(xiàn)思想如下：在進程建立時就創(chuàng)建若干線程，把它們放在一個“池中”，它們在那里等待工作。當服務(wù)器收到一個請求時，就喚醒池中的一個線程（如果有可用線程的話），并將要處理的請求傳給它。一旦線程完成了它的任務(wù)，它會返回到池中再等待其他工作。如果池中沒有可用的線程，那么服務(wù)器就會一直等到直到有空閑線程為止。線程池具有以下優(yōu)點：（1）通常用現(xiàn)有線程處理請求比等待創(chuàng)建新線程要快；（2）線程池限定了任何時候可存在線程的數(shù)量?！?.3線程3.3.5實例研究

1.WindowsServer2003線程WindowsServer2003的線程是內(nèi)核線程，系統(tǒng)的處理機調(diào)度對象為線程。線程的上下文主要包括寄存器、線程環(huán)境塊、核心棧和用戶棧。WindowsServer2003把線程的狀態(tài)分成待調(diào)度就緒狀態(tài)、就緒狀態(tài)、備用狀態(tài)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)、就緒掛起狀態(tài)、轉(zhuǎn)換狀態(tài)、終止狀態(tài)和初始化狀態(tài)。WindowsServer2003內(nèi)核中與線程調(diào)度相關(guān)的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有處理機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和幾個全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它們是一個待調(diào)度就緒線程隊列、一個分成32個優(yōu)先級的就緒線程隊列、一個備用線程變量和一個運行線程變量?！?.3線程WindowsServer2003有一組相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序可用它們來進行線程控制。CreateThread完成線程的創(chuàng)建，在調(diào)用進程的地址空間上創(chuàng)建一個線程，以執(zhí)行指定的函數(shù)，它的返回值為所創(chuàng)建線程的句柄。ExitThread用于結(jié)束當前線程。SuspendThread可掛起指定線程。ResumeThread可激活指定線程，它的對應(yīng)操作是遞減指定線程的掛起計數(shù)，當掛起計數(shù)為0時，線程恢復執(zhí)行?！?.3線程2.Pthread線程Pthread是指POSIX標準（IEEE1003.1c）定義的，它定義線程創(chuàng)建API和同步API。這是線程行為的規(guī)范，而不是實現(xiàn)。操作系統(tǒng)設(shè)計者可以根據(jù)意愿來采取任何實現(xiàn)形式。通常，實現(xiàn)Pthread規(guī)范的庫局限于基于UNIX的系統(tǒng)，Windows操作系統(tǒng)通常并不支持Pthread。Pthread線程函數(shù)調(diào)用：（1）Pthread_create()函數(shù)——創(chuàng)建一個線程（2）Pthread_join()函數(shù)——掛起當前線程直到所等待線程結(jié)束（3）Pthread_exit()函數(shù)——終止當前線程§3.4處理機調(diào)度3.4.1處理機調(diào)度的層次1.高級調(diào)度

高級調(diào)度又稱為作業(yè)調(diào)度或宏觀調(diào)度。其主要功能是根據(jù)一定的算法，從輸入的一批任務(wù)（作業(yè)）中選出若干個作業(yè)，分配必要的資源，如內(nèi)存、外設(shè)等，為它建立相應(yīng)的用戶作業(yè)進程和為其服務(wù)的系統(tǒng)進程（如輸入/輸出進程），最后把它們的程序和數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，等待進程調(diào)度程序?qū)ζ鋱?zhí)行調(diào)度，并在作業(yè)完成后作善后處理工作?！?.4處理機調(diào)度2.中級調(diào)度中級調(diào)度涉及進程在內(nèi)外存間的交換。為緩解內(nèi)存緊張問題，在許多系統(tǒng)中設(shè)立了中級調(diào)度。中級調(diào)度的主要功能是在內(nèi)存使用緊張時，將一些暫時不能運行的進程從內(nèi)存對換到外存上等待。以后，當外存有足夠的空閑空間時，再將合適的進程重新?lián)Q入內(nèi)存，等待進程調(diào)度。引入中級調(diào)度的主要目的是為了提高內(nèi)存的利用率和系統(tǒng)吞吐量。

§3.4處理機調(diào)度3.低級調(diào)度低級調(diào)度又稱進程調(diào)度或微觀調(diào)度，其主要功能是根據(jù)一定的算法，將CPU分派給就緒進程隊列中的一個進程。執(zhí)行低級調(diào)度功能的程序稱為進程調(diào)度程序，由它實現(xiàn)CPU在進程間的切換。進程調(diào)度是操作系統(tǒng)中最基本的一種調(diào)度，在一般的操作系統(tǒng)中都必須有進程調(diào)度，而且它的策略的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的性能。§3.4處理機調(diào)度作業(yè)CPU就緒，掛起隊列阻塞，掛起隊列阻塞隊列就緒隊列時間片到進程調(diào)度作業(yè)調(diào)度中級調(diào)度中級調(diào)度事件發(fā)生交互式用戶等待事件進程完成§3.4處理機調(diào)度3.4.2進程調(diào)度1.引起進程調(diào)度的典型事件當一個進程從運行狀態(tài)切換到等待狀態(tài)（例如，I/O請求）。當一個進程從運行狀態(tài)切換到就緒狀態(tài)（例如，當出現(xiàn)中斷時）。當一個進程從等待狀態(tài)切換到就緒狀態(tài)（例如，I/O完成）。當一個進程終止時。§3.4處理機調(diào)度2.進程調(diào)度的方式非搶占方式（Nonpreemptive）:在這種調(diào)度方式下，一旦一個進程被選中運行，它就一直運行下去，直到它完成工作、自愿放棄CPU，或者因等待某一事件而被阻塞時為止，才把CPU出讓給其他進程，即得到CPU的進程不管運行多長時間，都一直運行下去，絕不會因為時鐘中斷等原因而被迫讓出CPU。搶占方式（Preemptive）:搶占方式允許調(diào)度程序根據(jù)某種策略中止當前運行進程的執(zhí)行，將其移入就緒隊列，并選擇另一個進程投入運行。

§3.4處理機調(diào)度3.4.3調(diào)度算法的選擇原則

（1）CPU利用率:（2）吞吐量:（3）作業(yè)周轉(zhuǎn)時間

Ti=tci-tsi

平均周轉(zhuǎn)時間：T=(Σti)/n

（4）如果作業(yè)i的周轉(zhuǎn)時間為ti，所需運行時間為tk，則稱wi=ti/tk為該作業(yè)的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間。平均作業(yè)帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間W=(Σwi)/n§3.5調(diào)度算法3.5.1先來先服務(wù)按照作業(yè)進入系統(tǒng)的先后次序來挑選作業(yè)，先進入系統(tǒng)的作業(yè)優(yōu)先被挑選。算法容易實現(xiàn)，效率不高，只顧及作業(yè)等候時間，沒考慮作業(yè)要求服務(wù)時間的長短，不利于短作業(yè)而優(yōu)待了長作業(yè)。FCFS是非強占調(diào)度方式。§3.5調(diào)度算法3.5.2短作業(yè)（進程）優(yōu)先SJF算法以進入系統(tǒng)的作業(yè)所要求的CPU時間為標準，總選取估計計算時間最短的作業(yè)投入運行。算法易于實現(xiàn)，效率不高，主要弱點是忽視了作業(yè)等待時間,會出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象。SJF算法可能是搶占的或非搶占的。當新進程的運行時間與當前進程的剩余運行時間相比，可能更短時，可搶占SJF算法可能搶占當前運行進程，而非搶占SJF算法會允許當前運行進程先執(zhí)行直到釋放CPU為止。可搶占SJF調(diào)度有時稱為最短剩余時間優(yōu)先（shortest-remaining-time-first）調(diào)度。

例題3-1：假如5個就緒進程其到達系統(tǒng)和所需CPU時間如下表所示（單位：毫秒），如果忽略I/O以及其他開銷分別計算采用FCFS、非搶占式SJF和搶占式SJF調(diào)度算法進行CPU調(diào)度的平均周轉(zhuǎn)時間和平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間。進程到達和運行時間進程到達時間運行時間A03B26C44D65E82解答如下：（1）采用FCFS的調(diào)度順序為：ABCDE039131820平均周轉(zhuǎn)時間為：