1、1,第三章 操作系統(tǒng),3.1 基本概念 3.2處理機管理 3.3存儲管理 3.4設備管理 3.5文件管理,2,3.1 基本概念,復習： 計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 軟 件 系 統(tǒng) 系統(tǒng)軟件應用軟件,討論3個問題： 操作系統(tǒng)是什么？ 它能干些什么？ 它是怎樣干的？,3,1. 操作系統(tǒng)是什么？,定義是計算機的一種系統(tǒng)軟件，由它統(tǒng)一管理計算機系統(tǒng)的軟硬件資源和控制程序的執(zhí)行。 地位最基本的系統(tǒng)軟件，直接運行于裸機之上。 從用戶的觀點看，裸機OS虛擬計算機,答：,4,主要管理4類資源： CPU、存儲器、I/O設備和文件,它能統(tǒng)一管理計算機系統(tǒng)的全部資源（包括硬件資源和軟件資源），又稱為資源管理程序。,

2、2. 操作系統(tǒng)它能干些什么？,沒有OS行不行？,答：,對普通用戶來說，不行。因為不清楚內(nèi)存情況以及設備如何控制等細節(jié)。,引入OS的目的： 讓用戶能方便地使用計算機系統(tǒng)； 使計算機系統(tǒng)能高效地工作。,5,3. 操作系統(tǒng)它是怎樣工作的？,即4大資源如何管理？要用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎知識。 這是本章的重點內(nèi)容。,有幾類操作系統(tǒng)？,6,單道 一次只有一個作業(yè)裝入計算機的內(nèi)存運行，在執(zhí)行時不能使I/O設備與CPU同時工作，無法充分利用CPU。 （如DOS系統(tǒng)） 多道計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序，使他們在操作系統(tǒng)控制之下，相互穿插地運行。當某道程序因某種原因不能繼續(xù)運行時（例如等待外設傳輸數(shù)據(jù))，操

3、作系統(tǒng)便將另一道程序投入運行，以便讓CPU及各個外設盡量處于忙碌狀態(tài)，從而大大提高計算機使用效率。這種技術稱為多道程序設計。 （如Windows系統(tǒng)）,多道特點：宏觀上并行、微觀上串行,何謂單道？何謂多道？,7,3.2 處理機（CPU）管理,一、管理目標 二、管理內(nèi)容 三、作業(yè)管理 四、進程管理 五、典型操作系統(tǒng)分析,8,一、管理目標,首先要明確，單處理機的CPU，在任何瞬間只能執(zhí)行一條指令，所以OS應當最大限度地提高CPU利用率； 其次要方便普通用戶，盡可能操作方便。,處理機（CPU）管理的目標是什么？,9,二、管理內(nèi)容,CPU管理又可分為作業(yè)管理和進程管理,作業(yè)管理和進程管理二者關系？ 前

4、者是宏觀概念，后者是微觀概念。,什么叫作業(yè)？ 是計算機完成用戶任務所需進行的各項工作的集合，它是對算題任務進行處理的一個動態(tài)過程。,什么叫進程？ 是程序在數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行，即是在指定內(nèi)存區(qū)域中一組指令序列的執(zhí)行過程。,10,進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換,每個作業(yè)從進入系統(tǒng)到執(zhí)行完畢要經(jīng)歷四個階段，所以作業(yè)具有四個狀態(tài)：,作業(yè)調(diào)度的功能？,11,即一種資源管理程序，管理CPU資源的最高級（宏觀）調(diào)度。,明確：作業(yè)管理是用戶與計算機之間的接口； 這種接口可細分為兩類：,批處理方式-即用作業(yè)調(diào)度方式進行管理 （特點：全自動）,作業(yè)在外存怎樣存放？ 靠建立JCB（Job Control Block）,三、作業(yè)管理,

5、JCB是作業(yè)在系統(tǒng)中存在的唯一標志，它在作業(yè)整個運行過程中始終存在，內(nèi)容也不斷變化，直到作業(yè)完成才被清除。,交互方式-即人機對話方式 （特點：不自動或手工）,12,作業(yè)調(diào)度算法有幾種？ 主要有5種。目的是提高作業(yè)吞吐量、提高系統(tǒng)資源利用率、對各種作業(yè)盡量公平。 l先來先服務算法 l最短作業(yè)優(yōu)先算法,從作業(yè)隊列中應該先選取哪些作業(yè)進入內(nèi)存？,下面重點介紹批處理作業(yè)的調(diào)度算法,l最高響應比作業(yè)優(yōu)先算法（已等待時間/作業(yè)運行時間） 響應比R作業(yè)響應時間/作業(yè)運行時間1作業(yè)等待時間/作業(yè)運行時間 l最高優(yōu)先數(shù)算法 l均衡調(diào)度算法 / 資源搭配算法（使進入運行態(tài)的各作業(yè)合理搭配）,13,設有三個批處理作

6、業(yè)，所需執(zhí)行時間分別為2小時、1小時和25分鐘，相繼到達時間分別為：6:00、6:10和6:25。 若對這三個批處理作業(yè)采用調(diào)度算法S1，其執(zhí)行情況如下：,問：調(diào)度算法S1采用的是什么樣的算法？ 答：先來先服務算法。,14, 若對這三個批處理作業(yè)采用調(diào)度算法S2，其執(zhí)行情況如下：,問：調(diào)度算法S2采用的是什么樣的算法？ 答：最短作業(yè)優(yōu)先法。,15, 系統(tǒng)有四個批處理作業(yè)采用調(diào)度算法S3，其執(zhí)行情況如下：,問：調(diào)度算法S3采用的是什么樣的算法？ 答：最高響應比作業(yè)優(yōu)先算法。,【分析】計算當J1完J2150分鐘/20分鐘3.5; 成后各作業(yè)J3= 140分鐘/10分鐘5; 【響應比最高】 的響應比

7、 J4= 120分鐘/15分鐘2.3; 同理：當J3執(zhí)行完后，可以計算J2、J4的響應比以確定先后次序。,16,四、進程管理,1. 進程的定義 是在指定內(nèi)存區(qū)域中的一組指令序列的執(zhí)行過程,它是一個程序在一個數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行 或進程是程序的一次執(zhí)行過程 而程序的定義是：具有獨立功能的一組指令的集合，它給出了CPU執(zhí)行操作的步驟。,問：進程和程序的區(qū)別和聯(lián)系？ 聯(lián)系：進程是程序的執(zhí)行過程。同一個程序如果運行在不同的數(shù)據(jù)集上，就構(gòu)成了不同的進程;而同一個進程中又可以包含多個程序。 區(qū)別： 程序是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的； 程序是永久的，進程是暫時的； 進程有狀態(tài)（三態(tài)），而程序卻沒有重要區(qū)別。,菜譜炒

8、菜,17,2. 進程的屬性,等待態(tài)又稱阻塞、掛起、封鎖。,動態(tài)性指從誕生、運行，直至消滅 并發(fā)性指并發(fā)執(zhí)行的進程輪流占用處理器CPU 3個基本態(tài)指就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)，可互相轉(zhuǎn)換,18,練習1 ： 處于就緒狀態(tài)的進程可以有 ？ 個； 處于等待狀態(tài)的進程也可以有 ？個； 但處于運行狀態(tài)的進程只會有 ？個。,練習2：程序的執(zhí)行何時從運行態(tài)中退出？ 有3種可能性： 正常結(jié)束； 時間片用完； 運行時某條件不滿足，則主動退出等待條件滿足。,多,多,1,練習3：占有除CPU之外的一切資源的進程處于 ？ 態(tài)。,就緒,練習4：通過 ？完成進程三基本狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。,進程調(diào)度程序,19,討論： 處理機空閑時，會

9、選中哪個進程來運行？運行多長時間？,常用的進程調(diào)度算法有4種： l先來先服務調(diào)度算法 l優(yōu)先數(shù)調(diào)度算法 l時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法 l分級調(diào)度算法,這叫進程調(diào)度,常規(guī)算法，分配給先進入就緒隊列的進程，且把該進程執(zhí)行到底，直到結(jié)束或等待。,對每個進程給出一個優(yōu)先數(shù)（分等級），優(yōu)先級高的允許先“搶占” CPU；若同級，則按“先來先服務”原則。,比較折衷的設計，每個進程都執(zhí)行相同的時間段（片），分時輪流，交替執(zhí)行（注意時間片的選擇要合理，太短了雖每個進程的響應加快，但調(diào)度太頻繁；太長了對其它進程響應不及時）。,由系統(tǒng)設置多個就緒隊列(前、后臺隊列)，每個就緒隊列中的進程按時間片輪轉(zhuǎn)法占用處理器。,20,進

10、程調(diào)度中的先來先服務算法是把處理機分配給: （A）優(yōu)先數(shù)領先的進程 （B）先進入內(nèi)存的作業(yè)的進程 （C）先進入等待隊列的進程 （D）先進入就緒隊列的進程,練習：,問：隊列的操作只能是先進先出，進程已進入就緒隊列之后，優(yōu)先數(shù)領先的進程如何優(yōu)先？ 答：仍然依次出隊，但級別低者送入等待隊列！,21,3. 進程的組成,討論： 一個進程如何被識別和管理？ 用一張?zhí)厥獾谋韥碛涗浧溆嘘P信息和狀態(tài)。 在進程剛創(chuàng)建時建表，當進程消亡時撤表（free）， 這張表叫做PCB（Process Control Block，進程控制塊）。 有多少進程就有多少張PCB表，它是進程存在的唯一標志。,由程序、數(shù)據(jù)集和進程控制塊

11、（PCB）3部分組成,22,一種基本的進程控制塊PCB格式如下（含4類信息）：,23,將相同狀態(tài)（就緒、運行或等待）的PCB鏈接成隊列，則可編制控制軟件了。,24,小結(jié)進程概念,進程的組成由程序、數(shù)據(jù)集和進程控制塊3部分組成。 進程的屬性動態(tài)性、并發(fā)性、3基態(tài)、 多個不同進程可包含同一程序 每個瞬間位于運行態(tài)的進程只可能有一個； 任何時刻、任何進程都處于且僅處于某一個狀態(tài)； PCB是進程存在的唯一標志； PCB包含信息有4類：標識、說明、管理、現(xiàn)場信息 進程調(diào)度算法：4種（對就緒隊列而言） 先來先服務、優(yōu)先數(shù)調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)、分級調(diào)度,25,4、進程之間的通信,1）進程之間有必要通信么？ 答：

12、有，多道程序并發(fā)交叉運行時必須協(xié)調(diào)！ 請注意：進程之間有同步和互斥的情況，都是因為涉及到臨界區(qū)和臨界資源。,臨界資源一次只允許一個進程使用的資源。 臨界區(qū)在進程中訪問臨界資源的那段程序代碼。 （它是一個在并發(fā)進程中與共享變量有關的程序段）,26,解釋幾個術語：,當若干進程都要使用某一共享資源時，任何時刻最多只允許一個進程去使用，其他要使用該資源的進程必須等待，直到占用資源者釋放了該資源。(資源排它性使用：如打印機) 指并發(fā)進程之間存在一種制約關系，一個進程的執(zhí)行依賴另一個進程的消息，當一個進程沒有得到另一個進程的消息時應當?shù)却?，直到消息到達時才被喚醒。(時序) 若進程A專門向緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)，而

13、進程B專門從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)。則A一個也不放入時，B將無數(shù)據(jù)可取；B若遲遲不取走，讓緩沖區(qū)滿，則A無法再放入。 進程的互斥是進程間競爭共享資源的使用權，這種競爭沒有固定的必然關系；而進程同步時，涉及到共享資源的并發(fā)進程之間有一種必然的依賴關系。,進程互斥： 進程同步： 進程的同 步性關系： 互斥和同步的區(qū)別：,27,2）怎樣實現(xiàn)進程間的通信？ 解決進程同步與互斥的工具,答：用一種特殊的方法PV操作 定義兩種操作（函數(shù)）：P（S）和V（S） 其中S表示公用信號量。,請注意這種操作的特點是“不可中斷的過程”，所以又稱“原語”，即P操作原語和V操作原語。,構(gòu)思巧妙，簡潔明快， 簡稱P、V操作,28,P

14、（S）的過程如下：,S值減1； 若S0，將當前進程置于等待態(tài)，并將該進程排入等待S的隊列； 若S0，則當前進程繼續(xù)執(zhí)行。,V（S）的過程如下：,S值加1； 若S0，從等待S的隊列中移出一個進程并加入到就緒隊列，當前進程繼續(xù)執(zhí)行； 若S0，則當前進程繼續(xù)執(zhí)行。,問：在進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，可能會引起進程阻塞的原因是執(zhí)行（）。 （1）P操作 （2）V操作,29,3） 怎樣用P、V操作實現(xiàn)進程互斥？,在任一進程進入臨界區(qū)前先調(diào)用一次P操作，在執(zhí)行完臨界區(qū)的操作退出時再調(diào)用一次V操作,而且都用同一個公用信號變量S（S的初值為1）。這樣就可以實現(xiàn)進程的互斥。,解決互斥問題的“竅門”： P、V操作用同一個信

15、號燈S，并令S初值1（資源的數(shù)目）,30,例1：請寫出兩個進程使用一個打印機的信號燈P、V操作。,P1的臨界區(qū)操作 P（S）;/申請一資源 打印1 V（S）；/釋放一資源,P2的臨界區(qū)操作 P（S）; 打印2 V（S）；,解：令初值S1（表示臨界資源為1個)，2個進程依次進入就緒隊列,S=S-1； / P操作(申請一資源) if S0wait/置該進程為阻塞狀態(tài)（因無可用資源） else go on / S0,S=S+1； / V操作(釋放一資源) if S0waitready; go on /從阻塞狀態(tài)喚醒一個進程，插入就緒隊列 elsego on / S0,31,例2：兩個進程共用一個臨界

16、資源，用互斥信號燈實現(xiàn)這兩個進程互斥時，該互斥信號燈可能的取值有哪幾個？并說明每個取值的意義。,答：互斥情況下信號燈S的取值只有1 ，0和1三種情況。 S=1表示沒有進程進入臨界區(qū)；（僅有一個公共資源） S=0表示有一個進程進入臨界區(qū)； S=1表示一個進程進入臨界區(qū)，另一個進程在等待。 即：S0表示某資源的可用數(shù)，S0其絕對值表示阻塞隊列中等待該資源的進程數(shù),32,4）怎樣用P、V操作實現(xiàn)進程同步？,在任一進程進入臨界區(qū)前先調(diào)用一次P操作，在執(zhí)行完臨界區(qū)的操作退出時再調(diào)用一次V操作。 但要使用兩個不同的公用信號變量SP和SG（SP的初值不能為0，而SG的初值為0）。這樣就可以實現(xiàn)進程的同步。,

17、解決同步問題的“竅門”： P、V操作使用2個信號燈SP和SG，令緩沖區(qū)空閑初值SP0， 緩沖區(qū)產(chǎn)品數(shù)SG0,33,例1：P1為生產(chǎn)者，P2為消費者，依次進入就緒隊列，希望實現(xiàn)一進一出（同步）。,P1的生產(chǎn)操作 P1：生產(chǎn)產(chǎn)品； P（SP）； 將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)； V（SG）； goto P1;,P2的臨界區(qū)操作 P2: P（SG）； 從緩沖區(qū)取走產(chǎn)品; V（SP）； 消費產(chǎn)品; goto P2;,實際效果預測： P1若不放入1個產(chǎn)品，P2就只能等待，無法取產(chǎn)品； 反之，若緩沖區(qū)已放滿，則P2若不取走一個產(chǎn)品，P1就只能等待，無法放產(chǎn)品。,34,S=S-1； / P操作 if S0wait els

18、e go on / S0,S=S+1； / V操作 if S0waitready; go on elsego on / S0,緩沖區(qū)長度初值應SP0，依題意取SP=1； 緩沖區(qū)產(chǎn)品數(shù)SG0,P1的生產(chǎn)操作 P1：生產(chǎn)產(chǎn)品； P（SP）；/申請一空閑區(qū) 將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)； V（SG）；/釋放一資源，表有貨可取 goto P1;,P2的臨界區(qū)操作 P2: P（SG）； 從緩沖區(qū)取走產(chǎn)品; V（SP）； 消費產(chǎn)品; goto P2;,35,問：進程的互斥與同步有什么區(qū)別？他們之間又有什么共同之處？,答： 區(qū)別：進程的互斥是排它性，而同步是依賴性，是制約關系 共同之處：目的都是為了合理地共享資源。,進

19、程的互斥是進程間競爭共享資源的使用權，這種競爭沒有固定的必然關系； 而進程同步時，涉及到共享資源的并發(fā)進程之間有一種必然的依賴關系。,36,P、V操作要點：, 一定是成對出現(xiàn)（占用資源和釋放資源）； P（S）和V（S）的調(diào)用一定緊挨著臨界區(qū)的前后； 互斥只要設置一個信號燈（且S初值為1）；而同步要設置2個信號燈（及以上）；可以接收的信號燈SP初值大于0，表示有空位；而SG初值0，表示無貨可取。,P、V操作是否完美無缺？,37,5） 死鎖,死鎖的定義：在操作系統(tǒng)中，如果若干個進程彼此等待對方所擁有且不會釋放的資源，從而會處于互相等待的狀態(tài)，這種情況稱為 死鎖 。 產(chǎn)生的原因： 一是系統(tǒng)資源不足；

20、 二是進程推進的順序不當。,對付死鎖的策略有2類： 死鎖的檢測與修復有死鎖時或終止進程，或搶奪資源 死鎖的預防與避免保證系統(tǒng)不會發(fā)生死鎖,哪種方法所付出的代價更大？,38,五、典型操作系統(tǒng)處理機管理的特點,1. DOS操作系統(tǒng)的CPU管理特點,特點：DOS是單用戶單任務系統(tǒng)，所以沒有作業(yè)調(diào)度，永遠只有一個作業(yè)在內(nèi)存運行，只有作業(yè)控制能力，沒有多進程并發(fā)的概念。,2. Windows操作系統(tǒng)的CPU管理特點,特點：單用戶多道技術和圖形用戶界面，可用鼠標來控制。 注：DOS界面是字符型，只能用命令方式來控制。,39,從作業(yè)管理的角度講，Windows運用了以下人機交互的技術： 多窗口技術能同時看到多任務的執(zhí)行，但只有一個活