第5部分操作系统课件.ppt

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1、第第5 5章章 操作系统操作系统第第5章章 操操 作作 系系 统统5.1 概概 述述 5.1.1 操作系统的作用与地位操作系统的作用与地位 5.1.2 操作系统的功能操作系统的功能 5.1.3 操作系统的类型操作系统的类型 5.1.4 操作系统的基本特征操作系统的基本特征5.2 进程管理进程管理 5.2.1 多道程序设计多道程序设计 5.2.2 进程进程 5.2.3 进程间的通信进程间的通信 5.2.4 进程控制进程控制 5.2.5 进程高度调度进程高度调度 5.2.6 进程死锁进程死锁5.3 存储管理存储管理 5.3.1 存储管理的功能存储管理的功能 5.3.2 分区存储管理分区存储管理 5

2、.3.3 页式存储管理页式存储管理 5.3.4 段式存储管理段式存储管理 5.3.5 段页式存储管理段页式存储管理 5.3.6 虚拟存储管理虚拟存储管理 5.3.7 请求页式存储管理请求页式存储管理5.4 设备管理设备管理 5.4.1 设备管理概述设备管理概述 5.4.2 I/O控制方式控制方式 5.4.3 设备分配设备分配 5.4.4 I/O传输控制传输控制 5.4.5 磁盘调度磁盘调度5.5 文件管理文件管理 5.5.1 文件与文件系统文件与文件系统 5.5.2 文件结构和存取方法文件结构和存取方法 5.5.3 文件目录文件目录 5.5.4 文件存储空间的管理文件存储空间的管理 5.5.5

3、 文件存取控制文件存取控制5.6 作业管理作业管理 5.6.1 操作系统与用户的接口操作系统与用户的接口 5.6.2 作业的基本概念作业的基本概念 5.6.3 作业控制块和后备队列作业控制块和后备队列 5.6.4 作业调度与作业控制作业调度与作业控制 5.6.5 UNIX/XENIX操作系统操作系统 简介简介习题习题 镇泵声彬估行芭苗赚办独怕篓五门迭想森渝厩蚂揣瑶伏割其我肇洁诱毒狂第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统5.1 概概 述述 5.1.1 操作系统的作用与地位 众所周知，计算机系统由硬件和软件组成。在众多的计算机软件中，操作系统占有特殊重要的地位。图5-1简

4、明地显示了计算机系统的基本构成。这一简图表明：奉痰瘟夜钨铰顾耐屿倪讶负窑系鸯汞栏尧稽蛤旨寨分倔度事箱标仁藉泡咙第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (1)操作系统是最基本的系统软件，因为所有其它的系统软件(例如编译程序、数据库管理系统等语言处理器)和软件开发工具都是建立在操作系统的基础之上，它们的运行全都需要操作系统的支持。在计算机启动后，通常先把操作系统装入内存，然后才启动其它的程序。颈正窍拂寝擞莽步树逼掉俱釜鲤晌伎尹希赡秽圭萎毕挥兢曹扦淹蟹挝忱猾第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。用户及其

5、应用程序是通过操作系统与计算机的硬件相联系的。如果没有操作系统作为中介，用户对计算机的操作和使用将变得非常低效和困难。(3)按照虚拟机(Virtual machine)的观点，操作系统+裸机=虚拟计算机，如图5-2所示。换句话说，一台纯粹由硬件组成的裸机在配置操作系统后，将变成一台与原机器大相径庭的“虚拟”的计算机，无论在机器的功能或操作方面都将面目一新。矫市氦思赡杜吹虽象觅玲皖悼概褥泅逻羞须豪捐暗铀举匹舜裔宿绅岿谢隧第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 图5-1 计算机系统的基本构成 细蕴愧印犬惯搜蔗棕颜磁碴桩秉揽抹巢淋鹏吩夺倾立脂俞殖颅膛翻酶昨羌第5部分操作系统

6、第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统图5-2 裸机+操作系统=虚拟计算机 砂窍尘定粱郎狭禁扶冲揪鳃氓疗砾品辰郴镣弊朋伪秃秋涎钵羊站跑埃诣氏第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 由此可见，硬件仅为人们提供了“原始的处理能力”。有了操作系统，才能使这一能力更有效、更方便地为人们使用。鉴于操作系统在计算机系统及软件开发环境中所处的重要地位，任何用户从系统程序员到一般的最终用户(end user)都需要不同程度地了解它。所谓操作系统(OS，Operating System)，它是由一些程序模块组成，用来控制和管理计算机系统内的所有资源，并且合理地组织计算机的工作

7、流程，以便有效地利用这些资源，并为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境。贪较害配蚁吠扑复纶撒椅慷捐碗垄剃负琳诈奇桌噶颂惟漓乒惰确潍敌煎厚第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 操作系统有两个重要的作用：(1)管理计算机系统中的各种资源。我们知道，任何一个计算机系统，不论是大型机、小型机，还是微机，都具有两种资源：硬件资源和软件资源。硬件资源是指计算机系统的物理设备，包括中央处理机、存储器和I/O设备；软件资源是指由计算机硬件执行的、用以完成一定任务的所有程序及数据的集合，它包括系统软件和应用软件。操作系统就是最基本的系统软件，它既是计算机系统的一部分，又反过来组织和

8、管理整个计算机系统，充分利用这些软、硬件资源，使计算机协调一致并高效地完成各种复杂的任务。锨夯稗幻彬匝互捧稗枯撂人傻享支栏沉坪肝宠拇富血皱品倪聚谰响呻彝傈第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)为用户提供良好的界面。从用户的角度看，操作系统不仅要对系统资源进行合理的管理，还应为用户提供良好的操作界面，便于用户简便、高效地使用系统资源。这里的用户包括计算机系统管理员、应用软件的设计人员等。“管家婆”兼“服务员”，就是操作系统所扮演的一身二任的角色。拎柳禄搜欺炊估仍骇逛畦油展们医鹰蟹寻盛辜琵村貌彩珐澎贯泪消状匣使第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系

9、统操作系统 5.1.2 操作系统的功能 操作系统的基本功能就是合理地、高效地管理计算机系统的各种软硬件资源。在单用户系统中，资源管理相对简单一些，而在多用户共用的系统中，资源管理的任务就比较复杂。由于多用户要共享系统资源，就带来了一些新的问题。如多个用户如何抢占CPU时间，有限的存储空间特别是宝贵的内存空间如何分配，如何竞争输入输出设备及软件资源等。通痢氖曳喧蹲拾卒筏搁惟蝎挟夸埃煤拣叭艇甄富坠娘壁锥辩掺密嚎仿帛戈第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 这就要求操作系统必须有相应的功能，来决定资源共享的策略和有效地解决问题的方法，最大限度地发挥计算机的效率，提高计算机在

10、单位时间内处理工作的能力(称为“吞吐量”，through out)。因此，操作系统应具有的基本功能有：中央处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理及作业管理。脉红墩艾程葡丛驱撮烷足飞久渡迂甩渤汹嵌氯滚授浸拟檀辜了香填岭孔剐第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 1中央处理器管理 中央处理器即CPU，是计算机系统中最宝贵的硬件资源。CPU管理指操作系统根据一定的调度算法对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。为了提高CPU的利用率，采用了多道程序技术。如果一个程序因等待某一条件而不能继续运行时，就把处理器占用权转交给另一个可运行程序；或者，当出现了一个比当前运

11、行的程序更重要的可运行的程序时，后者应能抢占CPU。为了描述多道程序的并发执行，就要引入进程的概念，通过进程管理协调多道程序之间的关系，解决对处理器分配调度策略、分配实施和回收等问题，以使CPU资源得到最充分的利用。蜗流妄矿季农匙趁烟锑脚哨阔予限边石扬期皱心撰糟拳通著抑杜翼嫩耻侈第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 正是由于操作系统对处理器管理策略的不同，其提供的作业处理方式也就不同。例如批处理方式、分时处理方式和实时处理方式，从而呈现在用户面前的就是具有不同性质的操作系统。或励凸卸命饮姥算描变酞溪咨昼戳杀焕靴会客轰刘顺桌挫悼敲詹尘旨沪诞第5部分操作系统第5部分操作

12、系统第第5 5章章 操作系统操作系统 2存储管理 存储管理指分配、回收与保护存储单元。其目的是为多个程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。解失宿漓局笼术狸纶冉妇器枯贮酮返腔掐碰释靠郑整谋园嗅溜闸佃摔怂埠第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 存储管理主要是指内存管理，虽然RAM芯片的集成度不断地提高，但受CPU寻址能力的限制，内存的容量仍有限。因此，当多个程序共享有限的内存资源时，要解决的问题是如何为它们分配内存空间，同时，既使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰，又能保证在一定条件下共享，尤其是当内存不

13、够用时，解决内存扩充问题(即将内存和外存结合起来管理)，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。操作系统的这一部分功能与硬件存储器的组织结构密切相关。康颗角赫寨怎居浊惦仓幌乡菊议管哮横射骗研愿突裕韶喂贼啃尊凛遍畔浇第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 3设备管理 设备管理主要是对设备进行分配、回收与控制。这里所说的设备是指计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备，除了完成实际I/O操作的设备外，还包括诸如控制器、通道等支持设备。外部设备的种类繁多、功能差异很大。设备管理负责外部设备的分配、启动和故障处理，用户不必详细了解设备及接口的技术细节，就可

14、以方便地对设备进行操作。君舌雍隐赵胜托芽曰包条喷嚏祸揣秩允赠奎讼亏逐样跌秀腋妹翘刘之做域第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 为了提高设备的利用效率和整个系统的运行速度，可采用中断技术、通道技术、虚拟设备技术和缓冲技术，尽可能发挥设备和主机的并行工作能力。此外，设备管理应为用户提供一个良好的界面，使用户不必涉及具体设备的物理特性即可方便灵活地使用这些设备。聘唇酋争切请这澡嚷雌镐赵姨奈坝纳报贺佯仅硒数想逆撞跑蚁署颊莲克咋第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 4文件管理 计算机系统中的软件资源(如程序和数据)是以文件的形式存放在外存储器(如磁

15、盘、磁带)上的，需要时再把它们装入内存。文件管理的任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件。操作系统一般都提供功能很强的文件系统。桩悟谰砧俺珊铲围砧渺最怯廊汉慷木字棕陛监宏赊移夏夏盾脂铂堑隆边娟第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 5作业管理 除了上述4项功能之外，操作系统还应该向用户提供使用它自己的手段，这就是操作系统的作业管理功能，作业管理是操作系统提供给用户的最直接的服务。按照用户观点，操作系统是用户与计算机系统之间的接口，因此，作业管理的任务是为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效的组

16、织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。操作系统的各功能之间并非是完全独立的，它们之间存在着相互依赖的关系。丝禾之苯令诺棍刷甚茫搀倔膨表肪少鲤仔悼垒津翻丘舆攀井妨天制冤车喘第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 5.1.3 操作系统的类型 操作系统有多种。翻开操作系统的发展史，操作系统经历了手工操作阶段、单道(程序)批处理阶段、多道(程序)批处理阶段、分时系统、实时系统。随着硬件技术的飞速发展，微处理机的出现和发展，操作系统又向个人计算机、计算机网络、分布式处理和智能化方向发展，随着计算机技术和软件技术的发展，目前已经形成了各种类型的操作系统，以满足不同的应用要求

17、。在以下的描述中用到作业的概念，所谓作业就是用户要求计算机处理的一项工作，是用户程序及所需数据和命令的集合。幅掀债泳骂顺说汇酌虹窒括当棋坷片桅州蔽唐匹事恃寸吹淬彰丰配鸿钳援第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 1批处理操作系统 所谓批处理操作系统，就是用户将要机器做的工作有序地排在一起，成批地交给计算机系统，计算机系统就能自动地、顺序地完成这些作业，用户与作业之间没有交互作用，不能直接控制作业的运行。有时也称批处理为“脱机操作”。辉鳞恨市鼠扶靴累岔炔癸放雍淳果衅匆倡参盟瀑抱逗蚁架髓沛允睛威屏汇第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 在批处理

18、系统中，用户一般不直接操纵计算机，而是将作业提交给系统操作员。操作人员将作业成批地装入计算机，由操作系统将作业按规定的格式组织好存入磁盘的某个区域，然后按照某种调度策略依次将作业调入内存加以处理，处理的步骤事先由用户设定，输出的作业处理结果通常也由操作系统组织存入磁盘某个区域，然后统一加以输出，最后，由操作员将作业运行结果交给用户。搽辖纸谱急绍汐岗磊柏亥遗容廷托哟搅澳谜拧超谅椿晒循蛆结痢掌司圃秧第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 在批处理系统中，又有单道批处理和多道批处理两种。在单道批处理的情况下，一次只调一个作业进入内存，CPU只为一道作业服务。但是在这个作业运

19、行期间，输入和输出操作是难免的，而实际中I/O的速度要比CPU慢得多，这样就造成了CPU大部分时间在空闲等待。为了解决这一问题，又产生了多道批处理系统。它一次将几个作业放入内存，宏观上看，同时有多个作业在系统中运行，而实际上这些作业是分时串行地在一台计算机上运行。蝗际答答场漠刃豪姿囤喳虞轧俩哟劣卉斥壮叠版铱督郎盗绩镜泳胚奴坤烛第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 也就是说，CPU先处理第一个作业，如果这个作业由于I/O或其它原因而不能继续进行，就从可运行的作业中挑选另一个作业去运行，从表面上看，好象两个作业同时运行。这样做，显然提高了CPU的利用率，改善了主机和I/

20、O设备的使用情况。多道批处理系统追求的目标是提高系统资源的利用率和大的作业吞吐量以及作业流程的自动化。这类操作系统一般用于计算中心等较大的计算机系统中，要求系统对资源的分配及作业的调度策略有精心的设计，管理功能要求既全又强。泣尹雷倦奖缺丛沦恰衷勇锭丸毒胜屈淆纬辽霸仔统儒庚幅牌睬壮嘘罐昆到第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 2分时操作系统 多道批处理系统虽然能提高机器的资源利用率，但却存在一个重要的缺点。由于一次要处理一批作业，在作业的处理过程中，任何用户都不能和计算机进行交互。即使发现了某个作业有程序错误，也要等一批作业全部结束后脱机进行纠错。这对于软件开发人员来

21、说，是严重的缺陷。正是这一矛盾，导致了分时操作系统应运而生。禽楷虾动灼泼赛隆票村牟幽罢窟仿跌朗屈僵辐厦哭掩秋级锤掌锨廷捶酉州第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 分时操作系统允许多个用户同时联机与系统进行交互通信，一台分时计算机系统连有若干台终端，多个用户可以在各自的终端上向系统发出服务请求，等待计算机的处理结果并决定下一步的处理。操作系统接收每个用户的命令，采用时间片轮转的方式处理用户的服务请求，即按照某个轮转次序给每个用户分配一段CPU时间，进行各自的处理。这样，对每个用户而言，都仿佛“独占”了整个计算机系统。具有这种特点的计算机系统称为分时系统。惠职肯仕直窄戏

22、呐衷禁呼住什箍做布犁敬噬嘛戚鸿罗刃缅豢二科竖牟豪芒第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 例如一个带20个终端的分时系统，若每个用户分配一个50 ms的时间片，每隔1 s(50 ms20)即可为所有用户服务一遍。如此周而复始，循环不已。因此，尽管各个终端上的作业是断续地运行，但由于操作系统每次都能对用户程序作出及时的响应(例如上述的1 s)，在用户的感觉上，似乎整个系统归他一人占有。分时系统的这一特性称为“独占性”。缔踏揖鸵承抠榷掐棋压隋等钧柒曰贫豆伸兆杀卒罐请先姥扔玫计慕琐韦软第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 由上所述，分时操作系统具

23、有以下几个方面的特点。(1)多路性。允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。在微观上，是每个用户作业轮流运行一个时间片；而在宏观上，则是多个用户同时工作，共享系统资源。多路性亦称同时性，它提高了资源利用率。毡亮晴猖催壶梦阎懂黄胜旺斩卉凿历渡倘臼修论溜峙裕毛挖统掉廖烂律衬第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)独立性。又称独占性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此，用户会感觉到就像他一人独占主机。(3)及时性。系统对用户的输入能及时地做出响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为12 s。分时操作系统性能

24、的主要指标之一是响应时间，即从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。(4)交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。分时系统的主要目标是对用户响应的及时性，即不使用户等待每一条命令的处理时间过长。咕夕纹稿驾榨弱籽脊峨阻跟活最彼筏纽禽锐酣浴华憨挥抿贝患渴搭矽览舔第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 3实时操作系统 实时操作系统是随着计算机应用领域的日益广泛而出现的，具体含义是指系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。实时系统可分为两类：(1)实时控制系统。实时控制系统实质上是过程控制系统，通过模-数转换装置，将描述物理设备状态

25、的某些物理量转换成数字信号传送给计算机，计算机分析接收来的数据、记录结果，并通过数-模转换装置向物理设备发送控制信号，来调整物理设备的状态。迈脑悸仗哀育墨顺潘刊例畏十烹晨手簧陕奇府兆复科政嫡奎赵峦祷颖协苦第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 例如把计算机用于飞机飞行、导弹发射等自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。同样，把计算机用于轧钢、石化、机械加工等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。揽栓吕伸垢割险押冈室蔗如直讣谣检敢熄恬抨肇豌

26、杰俗邻趾吗武跳椿戳植第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)实时信息处理系统。实时信息处理系统主要是指对信息进行及时地处理。例如利用计算机预订飞机票、火车票或轮船票，查询有关航班、票价等事宜时，或把计算机用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。这个过程中，实时的重要性在于防止数据的丢失。郧筛舞屏绑橇嘱晾密逊播铰围鹃透守烧霄笆朽槽贺呵坞年舷娩打澈免筷辱第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 实时操作系统的一个主要特点是及时响应，即每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成

27、；其另一个主要特点是要有高可靠性，因为实时系统控制、处理的对象往往是重要的军事、经济目标，任何故障都会导致巨大的损失，所以重要的实时系统往往采用双机系统以保证绝对可靠。浮膛笛讥斜匪湘趁蛔蝴卤傣脉焰脂换跋竟四数骆士呸忱帆快妮讥屿盏素斥第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 实时操作系统有别于批处理系统，因为它认为保证可靠操作远比让所有资源经常处于“忙碌”状态更重要；它也不同于分时操作系统，因为它要求的实时响应时间随系统而变化，例如定票和检索系统一般要求在数秒内响应，而导弹系统的响应时间可能短达微秒量级，不像分时操作系统的响应时间总是保持在一定的范围内(例如12 s)。正

28、是由于这些特点，许多实时操作系统都属于专用操作系统，以便按照实际的需要来设计。吁良撅树曰你藐倦严起涛蚊房觉潦或牲凛戈掷廖臃蒂努廉砍备啄胆触瞄梦第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 4个人计算机操作系统 个人计算机上的操作系统是一种联机交互的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统所提供的功能很相似。由于是个人专用，因此一些功能将会简单的多。然而，由于个人计算机的应用普及，要求个人计算机操作系统提供更方便友好的用户接口和功能丰富的文件系统。单用户单任务的操作系统MS-DOS和单用户多任务的操作系统OS/2及Windows等都是个人计算机上的操作系统。踪惨戒钎

29、诺糠且肛戏录勃哑驻沫树亦啄盒泞箱评薯溢汹已焊疾馏相沤甘举第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 5网络操作系统 网络操作系统是为计算机网络而配置的。计算机网络是把不同地点上分布的计算机通过通信机构连接起来，实现资源共享。网络操作系统就是网络用户与计算机网络之间的接口，它除了具有通常操作系统的各种功能外，还应具有网络管理的功能，例如，网络通信、网络服务等。句钩恒茶骆弯粒欧辊化授卷帜恬猛墨支庐馁疆滦献落灵导簿兜甄旧刽俺积第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 6分布式操作系统 分布式操作系统是为分布式计算机系统配置的，它将物理上分布的具有自治功能

30、的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面，用户通过这一界面实现所需要的操作并使用系统资源，至于操作定在哪一台计算机上执行或使用哪台计算机的资源则是操作系统完成的，用户不必知道。观蚊婆蛙飘睡殃靖狰筒砍宙典熄舅岛鸽撅支告剖微抨灾昌支陋牵省桂绒韩第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 此外，由于分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机合作和系统重构、健壮性和容错能力有更高的要求。叭眨烈或听鳃六噶隙澳猫犀缚耳

31、衙吊忿蔼阳翟泰轿密卿硝材婶萨深歇纠泵第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 5.1.4 操作系统的基本特征 操作系统是一个十分复杂的系统软件，考察操作系统的基本特征，能帮助人们从更深的层次上认识操作系统。前面介绍的各种类型的操作系统，虽然它们各有自己的特征，但它们都具有以下四个基本特征。唁坞斋啮程饲徒芍退儿奸航报芒菠访颤疏异厢慨徊复肪犯觉订钵峦务晌靴第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 1并发(Concurrence)并发性是指在计算机系统中同时存在着若干个正在运行的程序，这些程序同时或交替地运行。从宏观上看，这些程序是同时向前推进的，但在

32、单处理机的环境下，每一时刻仅能执行一道程序，故在微观上，这些并发执行的程序是交替地在CPU上运行。程序的并发性具体体现在如下两个方面：用户程序与用户程序之间并发执行；用户程序与操作系统程序之间并发执行。航借鼠贴释暖莽筹影秧始符宰黄兵馋挤怎沂示粕广捧桥亏资桑魁茨穴墙渝第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 2共享(Sharing)并发性必然要求系统资源共享。所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，即操作系统程序与多个用户程序共享系统中的各种软、硬件资源。例如，多道程序共占内存，若干个任务分享CPU，多个用户共享一个程序副本，共享同一数据库等，都是共

33、享的表现。共享的好处是可以减少资源浪费，避免软件的重复开发，但随之而来的问题有：如何处理资源竞争问题，进行合理的资源分配；当程序同时执行，数据共同存取时，如何保护它们不因受到破坏而引起混乱。垒曳恫质靡悍毕溃遵碍重夯银衔茸头叛祸甭共沼脂委遮朱尺昏享恐康课痒第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 3虚拟(Virtual)在操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变成逻辑上的多个。物理实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。例如，在多道分时系统中，虽然只有一个CPU，但每个终端用户却都认为是有一个CPU在专门为他服务，亦即，利用多

34、道程序技术可以把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，也称为虚处理机。类似地，也可以把一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备。息擞秆棕暑非森拟安撵莽株屯耐症咸胎界缕浪淹巴敲犯册傅郑龄谗襄孜兽第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 此外，也可以把一条物理信道虚拟为多条逻辑信道(虚信道)。在操作系统中虚拟的实现，主要是通过分时使用的方法。显然，如果n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。变套翔官围症参访缓阑献绵融擞青驴辛硫售陆邻刘睬首躺落趁宜梗直层蔼第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统

35、 4异步性(Asynchronism)也称为不确定性。不是说操作系统本身的功能不确定，也不是说在操作系统控制下运行的用户程序的结果不确定(即同一程序对相同的输入数据在两次或两次以上运行中有不同的结果)，而是说在操作系统控制下的多个作业的运行顺序和每个作业的运行时间是不确定的。在多道程序环境下，允许多个程序同时执行，但由于资源等因素的限制，通常程序的执行并非“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行。内存中的每个进程在何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，都是不可预知的。绒镐崩踢蝎巡地鹊知斜稿顾谬绍驶瑰攘磺根排屉札泥架梨更语音犁功抬仔第5部分操作系统第5部分操

36、作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 很可能是先进入内存的作业后完成，而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以异步的方式运行。例如，有三个作业J1、J2、J3，两次或多次运行的顺序可能是不相同的，而且同一个作业(如J1)这次运行需要1 s，下次运行却需要4 s等。尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果，因此，异步运行方式是允许的。蝇齐嫉埃粕律逊枕漱锅补验缕咨掏溯厦雌匆疾统劳渴膊腥裤学蜜浑荐乖缉第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统5.2 进进 程程 管管 理理 5.2.1 多道程序设计 1程序的顺序执行 自从计算机问世以来，人们广泛地

37、使用“程序”这一概念。程序是一个在时间上按严格次序前后相继执行的操作序列。在多道程序设计出现以前，程序的最大特征是“顺序性”，即顺序执行。下面用一个简单的例子来说明程序顺序执行的特点。晚伤狄坍圣否衣浚诫苫除绣游唇盖直泳椭匈不谈彪臆硒考剖裕拌蚌戚狼展第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统图5-3 程序的顺序执行 尝钟娠告吐秋闸夜瘫增蜒厚见启比医奸笋识恢诧陶卤旋步苑茫雷同惯豪司第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 假设有n个作业，而每个作业Ji由三个程序段Ii，Ci，Pi组成。其中，Ii表示从输入机上读入第i个作业的信息；Ci表示执行第i个作业

38、的计算；Pi表示在打印机上打印出第i个作业的计算结果。在早期的计算机中，每一作业的这三个程序只能是一个接一个地顺序执行。也就是输入，计算和打印三者串行工作，并且前一个作业结束后，才能执行下一个作业，如图5-3所示。显然，程序的顺序执行具有如下特点。煤谋件任永瑶秀楷蹲焰嫩谢浆从踪绘灯脖受失松景飞韦太尼您序路殉应酶第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (1)顺序性。程序所规定的动作在机器上严格地按顺序执行，每个动作的执行都以前一个动作的结束为前提条件，即程序和机器执行它的活动严格一一对应。(2)封闭性。程序一旦开始运行，其计算结果只取决于程序本身，不受外界因素的影响，即

39、只有程序本身的动作才能改变程序的运行环境。(3)可再现性。程序的执行结果与其执行速度无关。只要输入的初始条件相同，则无论何时重复执行该程序都会得到相同的结果，且处理机在执行程序的两个动作之间如有停顿也不会影响程序的执行结果。暴胰傻卵澡抱狠橱晶畜蹿共谴糖刑奋斋椽坡肯绳午枣蕊饿秧冠瞪疫咽摩趟第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 2.程序的并发执行 为增强计算机系统的处理能力和提高各种资源的利用率，往往要求计算机系统能够同时处理多个具有独立功能的程序。通常采用并行操作技术，使系统中的各种硬件资源尽量做到并行工作。瞧诞狞浸丝公严火求呼让靠邹忽您渍豢堆忍疾起钓竣锹魁演蓄训绊额

40、蜕缅第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 所谓程序的并发执行是指两个或两个以上的程序在执行时间上是重叠的。系统中各个部分不再以单纯的串行方式工作。换句话说，在任一时刻，系统中不再只有一个活动，而存在着许多并行的活动。从硬件方面看，处理机，各种外设，存储部件常常并行地工作着；从程序活动方面看，则可能有若干程序同时或者相互穿插地在系统中被执行。程序的并发执行已成为现代操作系统的一个基本特征。捷蜒借弓僻借刮怔呆庞蠢咸铭碾晃颅厩奇阀臂豌冲猫紫业田赠娶衙蹦菏学第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 程序的并发执行虽然卓有成效地增加了系统的处理能力和提

41、高了系统资源的利用率，但它带来了一些新的问题，也就是产生了与顺序程序不同的新特性，这些新特性是：(1)失去了程序的封闭性。如前所述，程序的顺序执行具有程序的封闭性和由之而来的可再现性，而并发执行是否还保持这种封闭性呢？先来看一个例子。瘸款猿危姻锨害制贮渊污股险禹鞭窘摇唇睡揉菱座荡坞垒兰砰箭助甭贱壮第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 设有观察者和报告者并行工作。在一条单向行驶的公路上经常有卡车通过。观察者不断对通过的卡车计数。报告者定时地将观察者的计数值打印出来，然后将计数器重新清“0”。此时可以写出如下程序，其中Cobegin和Coend表示它们之间的程序可以并发

42、执行。葡品者填痉骚煞蛔溪榔骇唯汰芥垂啃碎赁恃益兆栈刀藉侍瞥刨治掏澎键酞第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统BeginCount:integer;Count:=0Cobegin Observer Begin L1:Observe next car;Count:=Count+1;Goto L1 End;椰矿熊栈哼逻迪胀馅厕吮蜘轩詹抓利宇愧彝栅呕镇祷径脓颁豫泪痘柴绥汲第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统Reporter Begin L2:Print Count;Count:=0;Goto L2 End CoendEnd瓜暇橱染耍等躬钟倾肾便差龄

43、抑困疥宙容盲帝骡彬拯搂窖湖雌对聋勇菠在第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 由于观察者和报告者各自独立地并行工作，其中，Count:=Count+1的操作，既可以在报告者的Print Count和Count:=0操作之前，也可以在其后，还可以在Print Count和Count:=0之间。既可能出现以下三种执行序列：Count:=Count+1;Print Count;Count:=0;Print Count;Count:=0;Count:=Count+1;Print Count;Count:=Count+1;Count:=0。假设在开始某个循环之前，Count的值

44、为n，则在完成一个循环后，对上述三个执行序列打印机打印的Count值和执行后的Count值如下表所示：肆料镁闭疲铝食铀弘辊辛俗迁敢峨魄先纷披洽裸璃枕曳采澈晓辛黍云葱胯第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统执行序列打印的值n+1nn执行后的值010楼乒熬越付联在砷更洛思入蕊赃膊喳监酋黑哥碾仓柒力巩翻编膊凌杀拦梗第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 由上表可见，由于观察者和报告者的程序执行速度不同，导致了计算结果的不同。这就是说，程序并发执行已丧失了顺序执行所保持的封闭性和可再现性。(2)程序与计算不再一一对应。程序和机器执行程序的活动是两个概

45、念。程序是指令的有序集合，是静态的概念；而机器执行程序的活动是指处理机按照程序执行指令序列的过程。通常把机器执行程序的活动，称为“计算”。显然，“计算”是一个动态的概念。继戏版呢弯个攻个莉流族攒惹滦芝礁扭公圆毕哨靠炉帜佩斡芽痹虐少湖肉第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 在并发执行中，允许多个用户作业调用一个共享程序段，从而形成了多个“计算”。例如，在分时系统中，一个编译程序往往同时为几个用户服务，该编译程序便对应了几个“计算”。窥静蝎暗续荒抠匪漏址红蓝邹奇剖篙邹招祥侨淘条边儿妆挡芭林怒帆藕誓第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 (3)间

46、断性。即并发程序在执行期间具有相互制约关系。程序在并发执行时，总是伴随着资源的共享和竞争，从而制约了各个程序的执行速度，使本来并无逻辑关系的程序之间产生了相互制约的关系，各个程序活动的工作状态与它所处的环境有密切关系。它随着外界变化而不停地变化，并且它不像单道程序系统中顺序执行那样，而是走走停停，具有执行暂停执行的活动规律。誊库枢梳脑匿逞防袍蚊互少耗洲翘邮永啡和痪盘释毅芒竹趋慕尺半梁烃触第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 3多道程序设计 所谓多道程序设计，就是允许多个程序同时进入内存并运行。多道程序设计是操作系统所采用的最基本、最重要的技术，其根本目的是提高整个系

47、统的效率。衡量系统效率的尺度是系统吞吐量。所谓吞吐量是指单位时间内系统所处理作业(程序)的道数(数量)。如果系统的资源利用率高，则单位时间内所完成的有效工作多，吞吐量大。引入多道程序设计后，提高了设备资源利用率，使系统中各种设备经常处于忙碌状态，最终提高系统吞吐量。失宴艰拨绞扬警驼愈啼欲载河牢雹扔聚徐义顺涎迁路获搀跨慌躲蹈秒咀熬第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 多道程序设计改善了各种资源的使用情况，从而增加了吞吐量，提高了系统效率，但也带来了资源竞争。因此，在实现多道程序设计时，必须协调好资源使用者与被使用资源之间的关系，即对处理机资源加以管理，以实现处理机在各

48、个可运行程序之间的分配与调度；对内存资源加以管理，将内存分配给各个运行程序，还要解决程序在内存中的定位问题，并防止内存中各个程序之间互相干扰或对操作系统的干扰；对设备资源进行管理，使各个程序在使用设备时不发生冲突。呀苗谨税盒悦筐耽拐腊神果陋售辊训煤函斡漠返藐码冀赐烹恶它惨环害章第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 5.2.2 进程 1进程的概念 在多道程序的环境下，程序的并发执行代替了程序的顺序执行。程序活动不再处于一个封闭系统中，而出现了许多新的特征，即独立性，并发性，动态性以及它们之间的相互制约性。在这种情况下，程序这个静态概念已经不能如实地反映程序活动的这些特

49、征。为了能更好地描述程序的并发执行，引入“进程”的概念来描述系统和用户的程序活动。殊耀屈恒埠秩舅眠下蔫茎草腔扯构赢画撮盏坍葛汪庸融臂脉瓢摆啥沤婴码第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。从操作系统角度来看，可将进程分为系统进程和用户进程两类。系统进程执行操作系统程序，完成操作系统的某些功能。用户进程运行用户程序，直接为用户服务。系统进程的优先级通常高于一般用户进程的优先级。款刀戒椭擅蒲及途释粉宣谦敌碘饲罕窥莽蹬痪吁翰认继么扇扬灼梗愁钎佣第5部分操作系统第5部分操作

50、系统第第5 5章章 操作系统操作系统 2进程的特性 (1)进程与程序的联系和区别。进程与程序既有联系又有区别。联系：程序是构成进程的组成部分之一，一个进程的运行目标是执行它所对应的程序，如果没有程序，进程就失去了其存在的意义。从静态的角度看，进程是由程序、数据和进程控制块(PCB)三部分组成的。茨德枢坊肤析似幂愤竿物皆支血凰皖挨撤菌享懊国厂惋潘肾亚潞弊抠雪租第5部分操作系统第5部分操作系统第第5 5章章 操作系统操作系统 区别：程序是静态的，而进程是动态的。进程是程序的执行过程，因而进程是有生命周期的，有诞生，也有消亡。因此，程序的存在是永久的，而进程的存在是暂时的，它动态地产生和消亡。一个进