1、第4章 資源管理技術(shù),4.1 操作系統(tǒng)的概念 4.2 多道程序設(shè)計(jì) 4.3 存儲(chǔ)空間的組織,4.1 操作系統(tǒng)的概念,4.1.1 操作系統(tǒng)的功能與任務(wù) 4.1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 4.1.3 操作系統(tǒng)的分類(lèi),4.1.1 操作系統(tǒng)的功能與任務(wù) (1) 管理系統(tǒng)資源。包括對(duì)CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè) 備、數(shù)據(jù)文件和其他軟件資源的管理。 (2) 為用戶(hù)提供資源共享的條件和環(huán)境，并對(duì)資源的使 用進(jìn)行合理調(diào)度。 (3) 提供輸入/輸出的方便環(huán)境，簡(jiǎn)化用戶(hù)的輸入輸出工 作，提供良好的用戶(hù)界面。 (4) 規(guī)定用戶(hù)的接口，發(fā)現(xiàn)、處理或報(bào)告計(jì)算機(jī)操作過(guò) 程中所發(fā)生的各種錯(cuò)誤。,操作系統(tǒng)是用以控制和管理系統(tǒng)資

2、源、 方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的程序的集合。,1. 處理機(jī)管理 2. 存儲(chǔ)器管理 3. 設(shè)備管理 4. 文件管理 5. 作業(yè)管理,4.1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 1. 手工操作階段 (1) 由于單個(gè)用戶(hù)獨(dú)占計(jì)算機(jī)的所有資源，從而造成資 源得不到充分利用； (2) 由于用戶(hù)直接使用計(jì)算機(jī)硬件資源，因此，要求用 戶(hù)熟悉計(jì)算機(jī)各部分的細(xì)節(jié)，這就導(dǎo)致使用很不方 便，也容易出錯(cuò)； (3) 由于進(jìn)行手工聯(lián)機(jī)操作，人工干預(yù)多，造成輔助時(shí) 間長(zhǎng)。,2. 成批處理系統(tǒng),3. 執(zhí)行程序系統(tǒng) 通道是一種硬件機(jī)構(gòu)，它獨(dú)立于處理機(jī)而直接控制輸入、 輸出設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)鍵傳送。 中斷是外界（如輸入、輸出設(shè)備，通道等）向主機(jī)報(bào)

3、告 信息的一種通信方式。,4. 多道程序系統(tǒng)的引入 所謂多道程序技術(shù)，是指在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放多道 相互獨(dú)立的程序，它們?cè)诓僮飨到y(tǒng)的控制下，共享系統(tǒng) 的硬件和軟件資源。,4.1.3 操作系統(tǒng)的分類(lèi) 1. 多道批處理操作系統(tǒng) “多道”是指在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存入多個(gè)用戶(hù)作業(yè)。 “批處理”是指這樣一種操作方式，在外存中存入大量的后 備作業(yè)，作業(yè)的運(yùn)行完全由系統(tǒng)控制，用戶(hù)與其作業(yè)之 間沒(méi)有交互作用，用戶(hù)不能直接控制其作業(yè)的運(yùn)行，通 常稱(chēng)這種方式為批操作或脫機(jī)操作。,2. 分時(shí)操作系統(tǒng) 在分時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶(hù)分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，即在 一臺(tái)計(jì)算機(jī)上聯(lián)接若干臺(tái)終端，每個(gè)用戶(hù)可以獨(dú)占一臺(tái) 終端。 所謂分時(shí)，是

4、指若干個(gè)并發(fā)程序?qū)PU的分時(shí)，其中每個(gè) 程序?qū)PU的時(shí)間分享單位稱(chēng)為時(shí)間片。 例如，設(shè)時(shí)間片長(zhǎng)度為100毫秒，現(xiàn)有10個(gè)用戶(hù)，則操作 系統(tǒng)對(duì)每個(gè)用戶(hù)的平均響應(yīng)時(shí)間為10100毫秒1秒。 也就是說(shuō)，每個(gè)用戶(hù)依次輪流使用100毫秒的時(shí)間片。,(1) 同時(shí)性。即若干遠(yuǎn)、近程終端上的用戶(hù)，在各自的 終端上同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 (2) 獨(dú)立性。即同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的用戶(hù)在各自的終端上 獨(dú)立工作，互不干擾。 (3) 及時(shí)性。即用戶(hù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)得到計(jì)算機(jī)的 響應(yīng)。 (4) 交互性。即分時(shí)系統(tǒng)提供了人機(jī)對(duì)話的條件，用戶(hù) 可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)自己請(qǐng)求的響應(yīng)情況，繼續(xù)向系統(tǒng) 提出新的要求，便于程序的檢查和調(diào)試。

5、第一個(gè)分時(shí)操作系統(tǒng)就是UNIX操作系統(tǒng)。,3. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 所謂實(shí)時(shí)，是指對(duì)隨機(jī)發(fā)生的外部事件作出及時(shí)的響應(yīng) 并對(duì)其進(jìn)行處理。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)兩 類(lèi)。,4. 通用操作系統(tǒng),5. 優(yōu)良的操作環(huán)境多窗口系統(tǒng) (1) 從用戶(hù)或應(yīng)用的角度來(lái)看，多窗口系統(tǒng)是用戶(hù)可以 同時(shí)運(yùn)行多道程序的一個(gè)集成化環(huán)境。 (2) 從軟件開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看，多窗口系統(tǒng)作為集成化 的環(huán)境能夠在無(wú)關(guān)程序之間共享信息。 (3) 一般可以認(rèn)為，多窗口系統(tǒng)是提供友善的、菜單驅(qū) 動(dòng)的、常常有圖形能力的用戶(hù)界面的操作環(huán)境。,(1) 它們都要提供資源訪問(wèn)能力，同時(shí)還要保證用戶(hù)對(duì) 資源的共享。操作系統(tǒng)提供存儲(chǔ)器

6、、輸入/輸出設(shè)備 等資源的共享，多窗口系統(tǒng)提供窗口、時(shí)件等資源 的共享。 (2) 多窗口系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多任務(wù)，使其具有分時(shí)操作系統(tǒng)的特征。 (3) 由于多窗口系統(tǒng)按用戶(hù)產(chǎn)生的事件來(lái)調(diào)度各個(gè)任務(wù)， 而用戶(hù)產(chǎn)生的事件實(shí)質(zhì)上是應(yīng)該立即處理的中斷請(qǐng) 求，因此，這種處理方式又使其與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相 接近。 多窗口系統(tǒng)實(shí)際上是一種功能很強(qiáng)的操作系統(tǒng)。,(1) 靈活、方便的窗口操作 (2) 彈出式菜單 (3) 命令對(duì)話框 多窗口系統(tǒng)能提供將多個(gè)作業(yè)同時(shí)展現(xiàn)在用戶(hù)面前的操 作環(huán)境，每個(gè)作業(yè)占據(jù)一個(gè)窗口，用戶(hù)可以交替地與各 個(gè)窗口進(jìn)行對(duì)話，各窗口之間也可以互相通信、交換信 息。,4.2 多道程序設(shè)計(jì),4.2.1

7、 并發(fā)程序設(shè)計(jì) 4.2.2 進(jìn)程 4.2.3 進(jìn)程之間的通信 4.2.4 多道程序的組織,4.2.1 并發(fā)程序設(shè)計(jì) 順序程序的特點(diǎn)： (1) 程序的順序性 (2) 順序程序的封閉性 (3) 順序程序的可再現(xiàn)性,(1) 并發(fā)程序沒(méi)有封閉性,(2) 程序與其執(zhí)行過(guò)程不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,(3) 程序并發(fā)執(zhí)行可以互相制約,4.2.2 進(jìn)程 1. 進(jìn)程的基本概念 進(jìn)程是指一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集 合的一次運(yùn)行活動(dòng)。 進(jìn)程是可以并發(fā)執(zhí)行的程序的執(zhí)行過(guò)程，它是控制程序 管理下的基本的多道程序單位。,(1) 進(jìn)程是程序在處理機(jī)上的一次執(zhí)行過(guò)程，它是動(dòng)態(tài) 的概念。而程序只是一組指令的有序集合，其

8、本身 沒(méi)有任何運(yùn)行的含義，它是一個(gè)靜態(tài)的概念。 (2) 進(jìn)程是程序的執(zhí)行過(guò)程，是一次運(yùn)行活動(dòng)。因此， 進(jìn)程具有一定的生命期，它能夠動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生和消亡。 而程序是可以作為一種軟件資源長(zhǎng)期保存的，它的 存在是永久的。 (3) 進(jìn)程是程序的執(zhí)行過(guò)程，因此，進(jìn)程的組成應(yīng)包括 程序、數(shù)據(jù)與記錄進(jìn)程狀態(tài)信息的“進(jìn)程控制塊”。 (4) 一個(gè)程序可能對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程。 (5) 一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)程序。,2. 進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化 (1) 運(yùn)行狀態(tài) (2) 就緒狀態(tài) (3) 等待狀態(tài),(1) 處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程，一旦分配到CPU，就轉(zhuǎn)為運(yùn)行 狀態(tài)。 (2) 處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程，當(dāng)需要等待某個(gè)事件發(fā)生才 能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，

9、則轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)；或者由于分配給 它的時(shí)間片用完，就讓出CPU而轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)。 (3) 處于等待狀態(tài)的進(jìn)程，如果它等待的事件已經(jīng)發(fā)生， 即條件得到滿(mǎn)足，就轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)。 剛創(chuàng)建的進(jìn)程可以處于三種狀態(tài)中的任何一種， 但進(jìn)程只能在運(yùn)行狀態(tài)下結(jié)束。,3. 進(jìn)程控制塊及其組織 (1) 進(jìn)程控制塊PCB 進(jìn)程名 特征信息 執(zhí)行狀態(tài)信息 通信信息 調(diào)度優(yōu)先數(shù) 現(xiàn)場(chǎng)信息 系統(tǒng)棧 進(jìn)程映象信息 資源占有信息 族關(guān)系,(2) 進(jìn)程的組織 進(jìn)程的物理組織方式： 線性表 鏈接表,4. 死鎖問(wèn)題 若干個(gè)進(jìn)程均因互相“無(wú)知地”等待對(duì)方所占有的 資源而無(wú)限地等待。,假設(shè)系統(tǒng)中有10臺(tái)磁帶機(jī)，由A，B，C三個(gè)進(jìn)程所共享 現(xiàn)假

10、定A，B，C已分別占用了2臺(tái)，3臺(tái)和2臺(tái)磁帶機(jī)，它 們的最大需求量分別為4臺(tái)，6臺(tái)和8臺(tái)。 并且還假定每個(gè)進(jìn)程只有滿(mǎn)足了最大需求量后才可能釋 放其所有的資源。,死鎖的四個(gè)必要條件： (1) 資源的獨(dú)占使用。 (2) 資源的非搶占分配。 (3) 資源的部分分配。 (4) 對(duì)資源的循環(huán)等待。,資源的靜態(tài)分配 資源順序分配法 銀行家算法 死鎖發(fā)生時(shí)，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)它，并讓系統(tǒng)從死鎖狀 態(tài)中解脫出來(lái),4.2.3 進(jìn)程之間的通信 1. 進(jìn)程的互斥與同步 (1) 進(jìn)程的互斥 當(dāng)多個(gè)進(jìn)程共享數(shù)據(jù)塊或其他排他性使用的資源時(shí)，不 能同時(shí)進(jìn)入存取或使用，但進(jìn)入的次序可以任意。 這種排他性使用的資源，即一次只允許一個(gè)進(jìn)

11、程使用的 資源稱(chēng)為臨界資源。,有兩個(gè)進(jìn)程A和B，進(jìn)程A負(fù)責(zé)為用戶(hù)作業(yè)分配打印機(jī)，進(jìn) 程B負(fù)責(zé)釋放打印機(jī)，它們共用一張打印機(jī)分配表。,進(jìn)程A分配打印機(jī)的過(guò)程為： 逐項(xiàng)檢查分配標(biāo)志，找出分配標(biāo)志為0的臺(tái)號(hào)； 把該臺(tái)分配標(biāo)志置1； 把用戶(hù)名和設(shè)備號(hào)填入分配表中相應(yīng)的位置。 進(jìn)程B釋放打印機(jī)的過(guò)程為： 逐項(xiàng)檢查分配表的各項(xiàng)信息，找出分配標(biāo)志為1， 并且用戶(hù)名和設(shè)備號(hào)與被釋放的用戶(hù)名和設(shè)備號(hào) 相同的打印機(jī)臺(tái)號(hào)； 該臺(tái)分配標(biāo)志置0； 清除該臺(tái)打印機(jī)的用戶(hù)名和設(shè)備號(hào)。,(2) 進(jìn)程的同步 進(jìn)程之間為了合作完成一個(gè)任務(wù)，而需要互相等待和互 相交換信息的相互制約關(guān)系稱(chēng)為同步。,2. P/V操作 P操作P(S)的

12、定義如下： (1) SS1 (2) 若S0，則當(dāng)前進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行；否則置當(dāng)前進(jìn)程為 等待狀態(tài)，并將它加入到S的等待隊(duì)列中。 V操作V(S)的定義如下： (1) SS1 (2) 若S0，則當(dāng)前進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行；否則將S等待隊(duì)列中 的排頭進(jìn)程轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)，且當(dāng)前進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。,初始狀態(tài)為S1,信號(hào)量S10表示緩沖區(qū)空，S11表示緩沖區(qū)滿(mǎn)； 信號(hào)量S20表示緩沖區(qū)滿(mǎn)，S21表示緩沖區(qū)空。 初始狀態(tài)為S10和S21）,3. 消息緩沖通信,發(fā)送消息進(jìn)程A的操作如下： (1)在本進(jìn)程空間內(nèi)開(kāi)辟一個(gè)發(fā)送區(qū)； (2)把要發(fā)送的消息正文以及接收進(jìn)程的名字B和消息長(zhǎng)度填入發(fā)送區(qū)； (3)用發(fā)送原語(yǔ)把消息發(fā)送出去。 發(fā)送

13、原語(yǔ)的形式為 SEND（發(fā)送區(qū)起始地址） 發(fā)送原語(yǔ)的功能是： 申請(qǐng)一個(gè)消息緩沖區(qū)； 把消息正文和消息長(zhǎng)度復(fù)制到緩沖區(qū)； 查得發(fā)送消息進(jìn)程名A，并填入緩沖區(qū)； 將消息緩沖區(qū)掛到接收進(jìn)程B的消息隊(duì)列末尾（即鏈尾）；此時(shí)若 進(jìn)程B正因等待消息而處于等待狀態(tài)，則被喚醒。,接收消息進(jìn)程B的操作如下： (1) 在本進(jìn)程空間內(nèi)指定一個(gè)接收區(qū)； (2) 用接收原語(yǔ)把消息緩沖區(qū)中的消息取到接收區(qū)。 接收原語(yǔ)的形式是： RECEIVE（接收區(qū)起始地址） 接收原語(yǔ)的功能是： 將本進(jìn)程消息隊(duì)列隊(duì)頭的緩沖區(qū)中的消息發(fā)送者、消息長(zhǎng)度和 消息正文取到接收區(qū)； 釋放該消息緩沖區(qū)。,4.2.4 多道程序的組織 處理機(jī)的調(diào)度 如

14、何從大量的后備作業(yè)中挑選一些作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存， 如何分配CPU等問(wèn)題，是操作系統(tǒng)中資源管理的 一個(gè)重要問(wèn)題。,作業(yè)調(diào)度又成為高級(jí)調(diào)度或宏調(diào)度。 它的主要任務(wù)是，按照一定的原則，從大量的后 備作業(yè)中選取一些作業(yè)，為它們分配內(nèi)存等必要 的資源，建立相應(yīng)的進(jìn)程，并為運(yùn)行完成的作業(yè) 做好善后處理工作。,進(jìn)程調(diào)度又稱(chēng)為低級(jí)調(diào)度或微調(diào)度。 它的主要任務(wù)是，按照某種原則將CPU分配給處 于就緒狀態(tài)的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)CPU在進(jìn)程之間的轉(zhuǎn)換。 進(jìn)程調(diào)度策略的優(yōu)劣和CPU在進(jìn)程之間轉(zhuǎn)換的速 度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有很大影響。,常用的作業(yè)調(diào)度算法有： (1) 先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法。 (2) 短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法。 (3) 最高響應(yīng)比優(yōu)

15、先調(diào)度算法。 相應(yīng)比是指作業(yè)的相應(yīng)時(shí)間與實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的比值 相應(yīng)比（作業(yè)等待時(shí)間作業(yè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間）/作業(yè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間 (4) 基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法。 (5) 均衡調(diào)度算法。,常用的進(jìn)程調(diào)度算法有： (1) 靜態(tài)優(yōu)先數(shù)法。 (2) 動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法。 (3) 處理機(jī)搶占法。 (4) 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法等。,4.3 存儲(chǔ)空間的組織,4.3.1 內(nèi)存儲(chǔ)器的管理技術(shù) 4.3.2 外存儲(chǔ)器中文件的組織結(jié)構(gòu),4.3.1 內(nèi)存儲(chǔ)器的管理技術(shù) 存儲(chǔ)管理功能： (1) 地址變換。 (2) 內(nèi)存分配。 (3) 存儲(chǔ)共享與保護(hù)。 (4) 存儲(chǔ)器擴(kuò)充。,1. 界地址存儲(chǔ)管理 當(dāng)一個(gè)作業(yè)被調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行時(shí)，首先給這個(gè)作業(yè)分配 一個(gè)

16、內(nèi)存分區(qū)，同時(shí)將該分區(qū)的首地址送到BR，該分區(qū) 的長(zhǎng)度送到LR。在該作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中，將指令中的有效 地址轉(zhuǎn)換成實(shí)際的內(nèi)存地址，其轉(zhuǎn)換的關(guān)系為 實(shí)際內(nèi)存地址DBR指令中的有效地址 如果BRDBRLR，則按地址D進(jìn)行訪問(wèn)； 如果DBR或DBRLR，則說(shuō)明地址越界錯(cuò)。,2. 分頁(yè)存儲(chǔ)管理 作業(yè)空間被劃分為頁(yè)，實(shí)際的內(nèi)存空間被劃分為塊，其 中頁(yè)的大小與塊的大小相等。 當(dāng)某個(gè)作業(yè)被調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行時(shí)，由重定位機(jī)構(gòu)將作業(yè)中 的頁(yè)映射到內(nèi)存空間對(duì)應(yīng)的塊上。,(1) 每一個(gè)作業(yè)要有一個(gè)頁(yè)表PMT。在頁(yè)表中，用于記錄 該作業(yè)的每一頁(yè)的頁(yè)號(hào)（從第0頁(yè)開(kāi)始）以及該頁(yè)是 否在內(nèi)存的標(biāo)志，如果某頁(yè)已進(jìn)入內(nèi)存，則還記錄 該頁(yè)

17、在內(nèi)存中的塊號(hào)。 (2) 存儲(chǔ)分塊表MBT。在存儲(chǔ)分塊表中，記錄了內(nèi)存空間 中每一塊的使用情況，系統(tǒng)實(shí)際上就是按照這個(gè)表 的內(nèi)容來(lái)具體分配或釋放內(nèi)存塊。 (3) 作業(yè)表JT。在作業(yè)表中，記錄了每個(gè)作業(yè)的狀態(tài)與 資源使用的信箱，主要包括作業(yè)號(hào)，頁(yè)表大小，頁(yè) 表地址等。,分頁(yè)存儲(chǔ)管理優(yōu)點(diǎn)： (1) 由于提供了大容量的虛擬存儲(chǔ)器，用戶(hù)的地址空間 不再受內(nèi)存大小的限制，大大方便了用戶(hù)的程序設(shè) 計(jì)。 (2) 由于作業(yè)地址空間中的各頁(yè)面都是按照需要調(diào)入內(nèi) 存的，不用的信息不會(huì)調(diào)入內(nèi)存，很少用的信息也 只是短時(shí)間駐留在內(nèi)存，因此更有效地利用了內(nèi)存。 (3) 由于動(dòng)態(tài)分頁(yè)管理提供了虛擬存儲(chǔ)器，每個(gè)作業(yè)一 般只

18、有一部分信息占用內(nèi)存，從而可以容納更多的 作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)，這就更有利于多道程序的運(yùn)行。,3. 分段存儲(chǔ)管理 在分段存儲(chǔ)管理方式下，分段地址空間是由一些 大小不等的段組成的，每一個(gè)段是一個(gè)可動(dòng)態(tài)增 長(zhǎng)的線性空間，它對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的邏輯信息單位， 如一個(gè)數(shù)組、一個(gè)子程序或分程序等。 在分段地址空間中，指令的有效地址中既要指出 段號(hào)，又要指出段內(nèi)的偏移量。,4. 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理 分段系統(tǒng)為用戶(hù)提供了一個(gè)分段地址空間，段是信息的 邏輯單位，反映了程序的邏輯結(jié)構(gòu)，因而大大方便了用 戶(hù)的程序設(shè)計(jì)，但它不利于內(nèi)存的有效利用。 而在分頁(yè)系統(tǒng)中，頁(yè)是信息的物理單位，它有利于內(nèi)存 的有效利用，但不利于用戶(hù)的程序設(shè)計(jì)。,4.3.2 外存儲(chǔ)器中文件的組織結(jié)構(gòu) 1. 文件的邏輯結(jié)構(gòu) (1) 記錄式文件 (2) 無(wú)結(jié)構(gòu)文件,2. 文件的物理結(jié)構(gòu) (1) 連續(xù)文件,(2) 鏈接文件,(3) 索引文件,文 件 的 多 級(jí) 索 引 結(jié) 構(gòu),3. 文件的目錄結(jié)構(gòu) (1) 簡(jiǎn)單文件目錄 簡(jiǎn)單文件目錄是一種最簡(jiǎn)單的目錄結(jié)構(gòu)，它是一個(gè) 線性表，在這個(gè)線性表的每一個(gè)目錄項(xiàng)中包含以 下一些信息： 文件名； 有關(guān)文件結(jié)構(gòu)的信息，包括邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)； 有關(guān)存取控制的信