操作系统原理PPT课件.ppt
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1、对计算规律的模拟对计算规律的模拟存储程序式计算机存储程序式计算机存储程序式计算机模型存储程序式计算机模型l存储程序式计算机模型的基本方案是,如要使计算存储程序式计算机模型的基本方案是,如要使计算机能够自动地计算,必须有一个存储器用来存储程机能够自动地计算,必须有一个存储器用来存储程序和数据;同时要有一个运算器,用以执行指定的序和数据;同时要有一个运算器,用以执行指定的操作;有一个控制器,以便实现自动操作;另外,操作;有一个控制器,以便实现自动操作;另外,辅以输入辅以输入/输出部件,以便输入原始数据和输出计输出部件,以便输入原始数据和输出计算结果。于是形成了现代计算机的基本组成形式。算结果。于是
2、形成了现代计算机的基本组成形式。如图如图1.1所示。所示。图图1.1 存储程序计算机的组成存储程序计算机的组成 无操作系统的计算机无操作系统的计算机l从第一代计算机诞生到从第一代计算机诞生到20世纪世纪50年代中期还未出年代中期还未出现操作系统,这时的计算机采用人工操作方式。其现操作系统,这时的计算机采用人工操作方式。其过程是:过程是: 图图1.2 手工操作计算机手工操作计算机单道批处理系统与多道批处理单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统系统及执行系统l所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软所谓批处理系统是指加载在计算机上的一个系统软件,在它的控制下,计算机能够自动地成批地处理件,在
3、它的控制下,计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。一个或多个用户的作业。l首先出现的是联机批处理系统。如下图所示。首先出现的是联机批处理系统。如下图所示。脱离主机控制的输入脱离主机控制的输入/输出批处理输出批处理系统系统 l在外设处理数据时,主机处理在外设处理数据时,主机处理“忙等忙等”状态,这样状态,这样高速的主机与慢速的外设矛盾就显现出来。为了克高速的主机与慢速的外设矛盾就显现出来。为了克服与缓解主机与外设的矛盾。我们引入脱机批处理服与缓解主机与外设的矛盾。我们引入脱机批处理系统,即脱离主机控制的输入系统,即脱离主机控制的输入/输出批处理系统。输出批处理系统。如图如图1.4所示。
4、所示。图图1.4 脱机批处理系统脱机批处理系统l在单道批处理系统中,内存中仅有一道作业,中断和通道在单道批处理系统中,内存中仅有一道作业,中断和通道技术出现以后,虽然可以实现输入技术出现以后,虽然可以实现输入/输出设备与中央处理机输出设备与中央处理机并行操作,但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不并行操作,但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不多,大多数进程是有同步关系的,这使系统中仍有较多的多,大多数进程是有同步关系的,这使系统中仍有较多的空闲资源,致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的空闲资源,致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统对作业的吞吐量,在利用率和系统对作业的
5、吞吐量,在60年代中期,引入了多年代中期,引入了多道程序设计技术,由此而形成了多道批处理系统。单道程道程序设计技术,由此而形成了多道批处理系统。单道程序与多道程序的执行过程如图序与多道程序的执行过程如图1.5和图和图1.6所示。所示。 在操作系统中引入多道程序设计技在操作系统中引入多道程序设计技术以后,会使系统具有以下特征。术以后,会使系统具有以下特征。l(1)多道性)多道性 l(2)无序性)无序性 l(3)宏观上并行、微观上串行)宏观上并行、微观上串行 l(4)调度性)调度性 分时系统分时系统l分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片,这分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片,这些时间片轮
6、流地分配给各个联机的各作业使用。如些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成,则果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成,则该作业就暂时中断,等待下一轮运行,并把处理机该作业就暂时中断,等待下一轮运行,并把处理机的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内,每个用户作业都能得到快速响应,短的时间间隔内,每个用户作业都能得到快速响应,以实现人机交互。以实现人机交互。l分时系统与多道批处理系统相比,具有完分时系统与多道批处理系统相比,具有完全不同的特征,由上所述可以归纳成以下全不同的特征,由上所述可
7、以归纳成以下几点:几点:(1)多路性)多路性 (2)独立性)独立性 (3)及时性)及时性 (4)交互性)交互性 设置设置OS的目的的目的l扩充机器功能,方便用户使用。扩充机器功能,方便用户使用。l提高系统效率。提高系统效率。裸机裸机操作系统操作系统其他软件其他软件. . .用户用户1。4节节以多道成批系统以多道成批系统为例为例l并发并发l共享共享l不确定性不确定性1.3 OS的服务功能的服务功能l程序执行程序执行lI/O操作操作l文件系统管理文件系统管理l出错检测出错检测l资源分配资源分配l统计统计l保护保护一一 系统调用系统调用l是应用程序与是应用程序与OS的接口的接口l进程或作业控制:实现
8、进程或作业的所有活动进程或作业控制:实现进程或作业的所有活动l文件管理和设备管理文件管理和设备管理l信息维护:用户与系统交互信息信息维护:用户与系统交互信息二二 系统程序系统程序l文件管理文件管理l状态信息状态信息l文件修改文件修改l程序设计语言支持程序设计语言支持l程序装入与执行程序装入与执行l工具性软件工具性软件l命令解释程序的实现方法命令解释程序的实现方法l单块结构单块结构l层次结构层次结构:分层实现的软件设计方法分层实现的软件设计方法.l虚拟机虚拟机l客户客户/服务器模型服务器模型:再用户进程方式下实现系统的多再用户进程方式下实现系统的多数功能数功能; 核心只负责客户与服务器的通信核心
9、只负责客户与服务器的通信; 适用于适用于分布式系统分布式系统; 注意对关键基础服务的处理注意对关键基础服务的处理.1。8 UNIX系统的特点和结构系统的特点和结构lUNIX的主要特点的主要特点lUNIX系统结构系统结构lUNIX系统核心结构系统核心结构进程概念进程概念程序的顺序执行程序的顺序执行与并发执行与并发执行程序的顺序执行程序的顺序执行概念概念一个程序由若干个程序段组成,而这些程序段的执行一个程序由若干个程序段组成,而这些程序段的执行必须是顺序的,这种程序执行的方式就称为程序的顺序执必须是顺序的,这种程序执行的方式就称为程序的顺序执行。行。例如:例如: 1 1 顺序性顺序性处理机严格按照
10、程序所规定的顺序执行,即每个操作必须在下一个操作开始之前结束。2 2 封闭性封闭性程序一旦开始执行,其计算结果不受外界的影响,当程序的初始条件给定之后,其后的状态只能由程序本身确定,即只有本程序才能改变它。3 3 可再现性可再现性程序执行的结果与初始条件有关,而与执行时间无关。即只要程序的初始条件相同,它的执行结果是相同的,不论它在什么时间执行,也不管计算机的运行速度。 O=f(I), f是与时间无关的函数例:例:在系统中有在系统中有n n个作业,每个作业都有三个个作业,每个作业都有三个处理步骤,输入数据、处理、输出,即处理步骤,输入数据、处理、输出,即I Ii i,C,Ci i,P,Pi i
11、 (i=1,2,3,.,n) (i=1,2,3,.,n)。 这些作业系统中执行时是对时间的偏序,这些作业系统中执行时是对时间的偏序,有些操作必须在其它操作之前执行,这是有有些操作必须在其它操作之前执行,这是有序的,但有些操作是可以同时执行的。序的,但有些操作是可以同时执行的。例如:例如: P1P1与与I2I2,C1C1与与I2,I3I2,I3与与P1P1是可以同时执是可以同时执行的。行的。I1I1、C1C1、P1P1的执行必的执行必须严格按照须严格按照I1I1,C1C1,P1P1的的顺序。顺序。I1I1、 I2I2、 I3I3、 I4I4轮流使用同一输入设备。轮流使用同一输入设备。时间时间资源
12、资源若干个程序段同时在系统中运行,这些程序的若干个程序段同时在系统中运行,这些程序的执行在时间上是重迭的,一个程序段的执行尚未结执行在时间上是重迭的,一个程序段的执行尚未结束,另一个程序段的执行已经开始,即使这种重迭束,另一个程序段的执行已经开始,即使这种重迭是很小的,也称这几个程序段是并发执行的。是很小的,也称这几个程序段是并发执行的。PQR并发执行区优点:优点:注意有限制规则:注意有限制规则:同一同一作业作业的处理步骤的执行必须严格按照规定的处理步骤的执行必须严格按照规定的的顺序顺序;同一独占资源上同一独占资源上的不同的不同作业的处理步骤作业的处理步骤不不能同时能同时执行。执行。假设有一个
13、程假设有一个程序由序由S0S0Sn+1Sn+1个个语句,先顺序执语句,先顺序执行行S0S0,然后并发,然后并发执行执行 S1S1SnSn语句,语句,最 后 顺 序 执 行最 后 顺 序 执 行Sn+1 Sn+1 。一、失去了程序的一、失去了程序的封闭性封闭性程序程序A程序程序Bn:=0;打印打印nn:=n+1;K1K2S如果程序执行如果程序执行的结果是一个与时的结果是一个与时间无关的函数,即间无关的函数,即具有具有封闭性封闭性。程序程序B打印打印0程序程序B打印打印1程序并发执行的特点程序并发执行的特点二、程序与计算不再一一对应二、程序与计算不再一一对应在程序顺序执行时,一个程序总是对应在程序
14、顺序执行时,一个程序总是对应一个具体的计算,但在程序的并发执行时,一个具体的计算,但在程序的并发执行时,可能有多用户共享使用同一个程序,但处理可能有多用户共享使用同一个程序,但处理(计算)的对象却是不同的,例如,在多用(计算)的对象却是不同的,例如,在多用户环境下,可能同时有多个用户调用户环境下,可能同时有多个用户调用C C语言语言的编译程序,这就是典型的一个程序对应多的编译程序,这就是典型的一个程序对应多个用户源程序的情况。个用户源程序的情况。程序并发执行的特点程序并发执行的特点程序与计算不再一一对应示例程序与计算不再一一对应示例程序程序A程序程序BCall CCall C程序程序C程序程序
15、A和和B在执行过程中都调用了程序在执行过程中都调用了程序C 程序并发执行的特点程序并发执行的特点三、程序并发执行可以相互制约三、程序并发执行可以相互制约在多道程序设计的环境下,程序是并发在多道程序设计的环境下,程序是并发执行的。即系统中有多道程序在执行的。即系统中有多道程序在“同时同时”执执行,这些程序之间要共享系统的资源,程序行,这些程序之间要共享系统的资源,程序之间有合作(通信)的关系。合作与竞争产之间有合作(通信)的关系。合作与竞争产生一系列的矛盾,这些矛盾实际上是一种相生一系列的矛盾,这些矛盾实际上是一种相互制约,有直接的,也有间接。互制约,有直接的,也有间接。注意区别注意区别不能同时
16、不能同时与与有先后次序有先后次序两种制两种制约。约。 程序并发执行的特点程序并发执行的特点程序并发执行的相互制约示例程序并发执行的相互制约示例并发活动并发活动进程的引人进程的引人l操作系统的特性之一是并发与共享,即在系统中操作系统的特性之一是并发与共享,即在系统中(内存)同时存在几个相互独立的程序,这些程序(内存)同时存在几个相互独立的程序,这些程序在系统中既交叉地运行,又要共享系统中的资源,在系统中既交叉地运行,又要共享系统中的资源,这就会引起一系列的问题,包括:对资源的竞争、这就会引起一系列的问题,包括:对资源的竞争、运行程序之间的通信、程序之间的合作与协同等符。运行程序之间的通信、程序之
17、间的合作与协同等符。l要解决这些问题,用程序的概念已经不能描述程序要解决这些问题,用程序的概念已经不能描述程序在内存中运行的状态,必须引人新的概念进程在内存中运行的状态,必须引人新的概念进程。进程的定义进程的定义l行为的一个规则叫做程序,程序在处理机上执行时行为的一个规则叫做程序,程序在处理机上执行时所发生的活动称为进程所发生的活动称为进程(DijkstraDijkstra) )。l进程是这样的计算部分,它是可以和其它计算并行进程是这样的计算部分,它是可以和其它计算并行的一个计算。的一个计算。(Donovan)(Donovan)l进程(有时称为任务)是一个程序与其数据一道通进程(有时称为任务)
18、是一个程序与其数据一道通过处理机的执行所发生的活动。(过处理机的执行所发生的活动。(Alan.C. Shaw)Alan.C. Shaw)l进程是执行中的程序。(进程是执行中的程序。(Ken Thompson and Ken Thompson and Dennis Ritchie )Dennis Ritchie )l进程,即是程序在并发环境中的执行过程进程,即是程序在并发环境中的执行过程 。进程与程序的区别(进程与程序的区别(1 1)进程与程序的区别(进程与程序的区别(2 2)进程与程序的区别示例进程与程序的区别示例例子:例子: 光盘(CD、VCD、DVD)光盘(程序)-放光盘的活动(进程)理解
19、进程概念理解进程概念l进程的运行状态及其变迁进程的运行状态及其变迁l进程的组成进程的组成l进程映像进程映像l进程环境进程环境进程的运行状态及其变迁进程的运行状态及其变迁l进程在系统中的活动规律是:进程在系统中的活动规律是: 执行执行- -暂停暂停- -执行执行l进程的运行状态反映进程的动态性。进程的运行状态反映进程的动态性。l进程的三种基本状态:进程的三种基本状态:l 运行状态运行状态l 就绪状态就绪状态l 封锁状态(又称不可运行、挂起)封锁状态(又称不可运行、挂起)进程的三种基本状态进程的三种基本状态l运行状态运行状态 :进程得到:进程得到CPUCPU控制权,它的程序控制权,它的程序正在运行
20、。(在系统中,总只有一个进程处正在运行。(在系统中,总只有一个进程处于此状态于此状态)l就绪状态就绪状态:已经准备就绪,一旦得到已经准备就绪,一旦得到CPUCPU,就立即可以运行。(有多个进程处于此状态)就立即可以运行。(有多个进程处于此状态)l封锁状态封锁状态:正在等待某个事件的发生(如等正在等待某个事件的发生(如等待待I/OI/O的完成),而暂停执行,这时,即使给的完成),而暂停执行,这时,即使给它它CPUCPU时间,它也无法执行。时间,它也无法执行。就绪就绪运行运行挂起挂起?基本内容的确定基本内容的确定?ab-1pcb1N个个pcb2pcbiPcb-addr?空间大小空间大小?UNIX的
21、进程映像的进程映像l进程状态进程状态l变迁关系变迁关系l进程映像:进程映像:PCB的实现、核心栈与的实现、核心栈与用户栈(图用户栈(图2-10 UNIX进程映像结进程映像结构构)进程环境进程环境l用户级环境用户级环境l寄存器环境寄存器环境l系统级环境系统级环境临界资源和临界区临界资源和临界区信号量信号量P、V操作操作临界资源和临界区临界资源和临界区信号量信号量P、V操作操作?临界资源和临界区临界资源和临界区信号量信号量P、V操作操作P:申请一个单位资源(:申请一个单位资源(P47)V:释放一个单位资源(:释放一个单位资源(P47)P(s):若若S=0,继续,继续取取s值减值减1V(s):若若S
22、0,继续,继续取取s值加值加1例:打印机分配例:打印机分配互斥信号量互斥信号量mutex(初值为(初值为1)Pa为分配进程为分配进程Pb为释放进程为释放进程例:供者和用者对单缓冲区的同步例:供者和用者对单缓冲区的同步信号量:信号量:S1缓冲区空否(初值为缓冲区空否(初值为1)S2缓冲区满否(初值为缓冲区满否(初值为0)设上例中缓冲区容量为设上例中缓冲区容量为n,分析信,分析信号灯的设置与状态变化范围(生产号灯的设置与状态变化范围(生产者者-消费者问题消费者问题P49)其它进程通信方式其它进程通信方式l信号量集方式信号量集方式l管程管程l消息缓冲通信消息缓冲通信UNIX中的进程通信中的进程通信l
23、Sleep 和和wakeupl进程跟踪进程跟踪lS_5的的ipc:消息机制,共享内存,信号量。消息机制,共享内存,信号量。处理机的二级调度处理机的二级调度宏观作业调度:算法复杂、间隔长、宏观环境宏观作业调度:算法复杂、间隔长、宏观环境微观进程调度:算法简单、调度频繁、微观状态微观进程调度:算法简单、调度频繁、微观状态作业调度作业调度作业调度的主要任务是完成作业从后备状态到执行状作业调度的主要任务是完成作业从后备状态到执行状态和从执行状态到完成状态的转变。态和从执行状态到完成状态的转变。作业调度功能:作业调度功能:l记录已进入系统的各作业的情况(记录已进入系统的各作业的情况(JCBJCB,Job
24、 Job Control BlockControl Block););l按一定的调度算法,从后备作业中选择一个按一定的调度算法,从后备作业中选择一个或几个作业进入系统内存;或几个作业进入系统内存;l为被选中的作业创建进程,并且为其申请系为被选中的作业创建进程,并且为其申请系统资源;统资源;l作业加束后作善后处理工作。作业加束后作善后处理工作。作业控制块(JCB)每个作业进入系统时由系统为其建立一个每个作业进入系统时由系统为其建立一个作业作业控制块控制块JCBJCB(Job Control Block)Job Control Block),它是存放作业控制和,它是存放作业控制和管理信息的数据结构
25、,主要信息见下图。管理信息的数据结构,主要信息见下图。调度性能的衡量调度性能的衡量 作业调度算法规定了从后备作业中选择作业作业调度算法规定了从后备作业中选择作业进入系统内存的原则,这些原则的性能如何,就是进入系统内存的原则,这些原则的性能如何,就是本节所讨论的问题。本节所讨论的问题。确定调度算法时应考虑的因素l应与系统的整体设计目标一致l考虑系统中各种资源的负载均匀l保证作业的执行l对一些专用资源的使用特性的考虑调度性能的衡量调度性能的衡量调度性能的衡量调度性能的衡量通常采用平均周转时间和带权平均周转时间作业的周转时间作业的周转时间:ti = tci-tsiti:作业周转时间tci:作业完成时
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