计算机操作系统537页完整版教学课件汇总全书电子教案.ppt

,计算机操作系统,Computer Operating System,第1章 引论,本章要求学生对操作系统有一个初步的了解。掌握什么是操作系统，操作系统的功能，操作系统的类型及主要性能指标;并了解中断系统的有关概念。,第1章 引论,1.1 什么是操作系统 1.2 操作系统的功能 1.3 操作系统的类型 1.4 操作系统特性及性能指标 1.5 中断系统 1.6 小结,1.1.1 计算机系统计算机系统由硬件系统(各种元件、部件和设备的总称)和软件系统(程序及相关文档资料)硬件系统与软件系统紧密相关裸机:没有配置软件的计算机。虚拟计算机:配置了软件的计算机,1.1 什么是操作系统,1.1.1 计算机系统计算机系统四个层次如图1-1。四个层次表现为一种单向服务关系，即：外层软件必须以事先约定好的方式使用内层软件和硬件提供的服务，这种约定称为界面。,1.1 什么是操作系统,1.1.1 计算机系统计算机系统四个层次： 1、机器层：又叫裸机，无任何软件的机器设备本身。操作系统及其外层软件通过执行各种机器指令访问和控制各种硬件资源。 2、操作系统层：直接管理计算机系统中的各种硬件资源和软件资源；是用户与计算机间的界面(或接口)。 计算机软件通常分为系统软件和应用软件两部分。操作系统是系统软件中重要的部分,1.1 什么是操作系统,1.1.1 计算机系统计算机系统四个层次： 3、系统层：指除操作系统以外的所有系统软件。主要有：汇编程序(Assembler)、编译程序(Compiler)、编辑程序(Editor)、调试程序(Debugging)、系统维护程序(Maintenance Program)、数据库管理系统(Data Bate Management System，DBMS)和数据通讯程序(Data Communication Program)等。,1.1 什么是操作系统,1.1.1 计算机系统计算机系统四个层次： 4、应用层：指一些直接为用户服务和使用的应用程序、用户程序和服务程序等，它可由用户或专门的软件公司编制。例如，办公自动化系统、事务处理系统及各种应用软件包和程序库等。,1.1 什么是操作系统,1.1.2 操作系统在计算机系统中的地位 指从图1-1可以看出，操作系统在计算机系统中占有十分重要的地位，它是最基本的、核心的系统软件。操作系统有效地统管计算机的所有资源(包括硬件资源和软件资源)，合理地组织计算机的整个工作流程，以提高资源的利用率，并为用户提供强有力的使用功能和灵活方便的使用环境。,1.1 什么是操作系统,1.1.3 操作系统的定义 1、从功能角度 操作系统是一个计算机资源管理系统，负责对计算机的全部硬、软件资源进行分配、控制、调度和回收。 2、从用户角度 操作系统是一台比裸机功能更强、服务质量更高，用户使用更方便、更灵活的虚拟机，即操作系统是用户和计算机之间的界面(或接口)。,1.1 什么是操作系统,1.1.3 操作系统的定义 3、从资源管理角度 操作系统是计算机工作流程的自动而高效的组织者，计算机硬软资源合理而协调的管理者。 4、从软件角度 操作系统是一种系统软件，是由控制和管理系统运转的程序和数据结构等内容构成。,1.1 什么是操作系统,1.1.3 操作系统的定义 5、本书定义 操作系统是管理和控制计算机硬软资源，合理地组织计算机的工作流程，方便用户使用计算机系统的软件。 6、操作系统追求的主要目标有两点： 1）方便用户使用，给用户提供一个清晰、简洁、易于使用的用户界面； 2）提高系统资源的利用率，尽可能使计算机系统中的各种资源得到最充分地利用。,1.1 什么是操作系统,1.2.1 处理机管理处理机管理：主要是组织和协调用户对处理机的使用，管理和控制用户任务，以最大限度提高处理机的利用率。处理机管理最关心的：它的运行时间处理机管理任务：提出调度策略和给出调度算法，使每个用户都能满意，同时又能充分地利用CPU。,1.2 操作系统的功能,1.2.2 存储管理存储管理：主要是内存管理，也包括内外存交换信息的管理，配合硬件做地址转换和存储保护的工作，进行存储空间的分配和去配。1.2.3 设备管理设备管理：主要是管理各类外部设备（除CPU和内存以外的各种设备），包括分配、启动和故障处理等，合理地控制IO的操作过程，实现虚拟设备，最大程度地实现CPU与设备，设备与设备之间的并行工作。,1.2 操作系统的功能,1.2.4 文件管理文件管理：主要负责文件信息的存取和管理，包括文件的建立、撤消、组织、读写、修改、移动、复制及控制访问等。1.2.5 作业管理设备管理：作业管理负责对作业的执行情况进行系统管理，包括作业的组织，作业的输入输出，作业调度和作业控制等。作业：在操作系统中用户在一次算题过程中要求计算机系统所做的一系列工作的集合。,1.2 操作系统的功能,操作系统的分类： 1、按照计算机硬件的规模： 操作系统分为大型机操作系统、小型机操作系统和微型机操作系统。 2、从操作系统的功能出发 操作系统分成三大类：多道批处理操作系统(简称多道批处理系统)，分时操作系统(简称分时系统)和实时操作系统(简称实时系统)。,1.3 操作系统的类型,1.3.1 多道批处理系统 定义：多道程序系统与批处理系统的结合 1、批处理系统定义：成批处理一些程序的系统分类：联机批处理和脱机批处理 1）联机批处理 其处理过程为：用户将所需解决的问题组成作业，交给操作员，操作员有选择地把若干作业合成一批，并把一批作业装到输入设备上，然后由监督程序控制送到辅存，再从辅存中将一个一个作业调入内存运行，直到全部作业处理完毕。,1.3 操作系统的类型,1）联机批处理 用户需用作业控制语言(Job Control Language，JCL)写出其算题要求，JCL是系统提供给用户书写其程序的“上机说明书”语言 例如：某用户要求编译一段FORTRAN程序A，然后汇编一段程序B，再把这两个程序连接起来投入运行。用户的作业说明书形式可如下： FTN A ASM B LINK A，B，C RUN C 缺点：高速的CPU与慢速IO设备矛盾突出,1.3 操作系统的类型,2)脱机批处理组成：主机和卫星机（即外围计算机）,1.3 操作系统的类型,2)脱机批处理工作原理：作业通过卫星机输入到磁带上，当主机需要输入作业时，就把输入带从卫星机的磁带机上取下，并装入到主机的磁带机上。于是，主机可以连续地处理由输入带输入的许多用户作业，并把这些作业的运行结果不断地输出到输出带上。最后，多个用户作业的输出结果再通过卫星机连接的打印机打印出来。优点：主机与慢速的IO设备并行工作，从而提高了主机的效率。,1.3 操作系统的类型,2)脱机批处理带来的问题：许多用户程序不是一次就完全通过的，需要的周期较长，因此用户不能及时修改。系统的基本特征：系统逐一地处理每一道程序，只有一道程序处理结束后，才开始下一道程序的处理，我们将这类系统称为单道程序系统。这类系统的缺点：CPU和I/O设备的运行也是串行的，难以提高了计算机的利用率。,1.3 操作系统的类型,1.3.1 多道批处理系统 2、多道程序系统批处理系统是单道顺序地处理作业(即串行) ，系统效率不高。一般会出现两种情况： 1)以计算为主的作业(IO量少)会使外围设备出现空闲； 2)以IO为主的作业(计算量少)又会造成CPU的空载。多道程序系统的引入就解决了以上的问题,1.3 操作系统的类型,2、多道程序系统多道程序系统：控制多道程序同时运行的程序系统，由它决定在某一时刻运行哪一个作业。即多道程序在系统内并行工作。多道程序系统的主要特征如下： 1)多道：即计算机内存中同时存放几道相互独立的程序； 2)宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕； 3)微观上串行：内存中的多道程序轮流地或分时地占有CPU，交替执行。,1.3 操作系统的类型,例如，现有一台CPU，多台IO设备，有两道程序A、B，各自的执行情况如图13所示。下面在60ms内，分别观察按单道程序方式运行和多道程序方式运行的轨迹及CPU的利用率。这里忽略监督程序的切换时间，并假设起始时首先运行程序A。,举例比较单道与多道程序运行,1)若按单道程序方式运行，其运行轨迹如图14所示。,举例比较单道与多道程序运行,由此可知，在60ms内， CPU的利用率=256041.7%,2)若按多道程序方式运行，其运行轨迹如图15所示。,举例比较单道与多道程序运行,由此可知，在60ms内， CPU的利用率=506083.3%,3、多道批处理系统多道批处理系统两个含义：一是多道，二是批处理。 1)多道：作业并发执行 2)批处理：用户与作业之间没有交互作用，作业一旦进入系统，用户就不能直接干预或控制作业的运行。优点：机器的利用率是很高的缺点：不提供交互作用的工作方式，这给用户带来了很大的不便,1.3 操作系统的类型,1.3.2 分时系统定义：分时系统是允许多个联机用户同时使用一台计算机进行处理的系统。系统将CPU在时间上分割成很小的时间段，每个时间段称为一个时间片。每个联机用户通过终端以交互方式控制程序的运行，系统把CPU时间轮流地分配给各联机作业，每个作业只运行极短的一个时间片，而每个用户都有一种“独占计算机”的感觉。主要目标：方便用户，提高系统资源利用率,1.3 操作系统的类型,1.3.2 分时系统分时系统的主要特点： 1)协调性 2)独占性 3)交互性 4)共享性分时系统具有如下优点： 1)自然操作方式 2)扩大了应用范围 3)便于共享和交换信息 4)经济实惠,1.3 操作系统的类型,1.3.3 实时系统定义：实时系统是一种对事件及时处理的系统，当事件产生的同时，就能以足够快的速度予以处理，其处理结果在时间上又来得及控制被监测或被控制的过程。这里的“实时”就是及时的含义。分类：分为实时过程控制系统和实时信息处理系统,1.3 操作系统的类型,1.3.3 实时系统 1、实时过程控制分类：1）以计算机为控制中枢的生产过程自动化系统；2）飞行物体的自动控制 2、实时信息处理功能：能及时响应来自终端用户的服务请求，如进行信息的检索、存储、修改、更新、加工、删除、传递等，并能在短时间内对用户给予正确的回答。如情报检索、机票预订、银行业务、电话交换等都属此类系统。,1.3 操作系统的类型,1.3.3 实时系统实时系统主要特点： 1)对外部进入系统的信号或信息应能做到实时响应。 2)实时系统较一般的通用系统有规律，许多操作具有一定的可预计性。 3)实时系统的终端一般作为执行和询问使用，不具有分时系统那样有较强的会话能力。 4)实时系统对可靠性和安全性要求较高，常采用双工工作方式。,1.3 操作系统的类型,1.3.3 实时系统实时系统与分时系统的主要差别： 1) 交互能力：分时系统的交互能力较强，而实时系统大都是具有特殊用途的专用系统，其交互能力受到一定的限制。 2)响应时间：分时系统的响应时间一般都是以人能接受的时间来确定的，其响应时间一般在秒数量级；而实时系统的响应时间要求视应用场合密切相关，主要以控制对象或信息处理过程所能接受的延迟而定，可能是秒级，也可能是毫秒级甚至微秒级。,1.3 操作系统的类型,1.3.4 嵌入式操作系统嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）功能：负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制和协调并发活动，它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能EOS特点：除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点： (1)可装卸性 (2)强实时性 (3)统一的接口,1.3 操作系统的类型,EOS特点： (4)操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。 (5)提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议及其它协议，提供TCPUDPIPPPP协议支持及统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 (6)强稳定性，弱交互性 (7)固化代码 (8)更好的硬件适应性，即良好的移植性。,1.3 操作系统的类型,1.3.4 嵌入式操作系统常用的嵌入式操作系统有： 嵌入式Linux、Windows CE 、Windows XP Embedded 、VxWorks 、uCOSII 、QNX 、FreeRTOS 、NetBSD和FreeDOS等。,1.3 操作系统的类型,1.4.1 操作系统的特性 1、并发性 又称并行性，是指能同时处理存在的多个平行活动的能力。 2、共享性 共享是指多个计算任务对资源的共同享用。并发活动的目的要求共享资源。 3、不确定性 操作系统必须能处理随时可能发生的事件，如多道程序在运行过程中对资源的要求，程序运行时产生错误的处理，以及外部设备的中断事件均是不确定的。,1.4 操作系统的特性及性能指标,1.4.2 操作系统的性能指标 1、系统的RSA,1.4 操作系统的特性及性能指标,1.4.2 操作系统的性能指标 2、系统吞吐率(Throughput) 吞吐率指系统在单位时间内所处理的信息量。 3、系统响应时间(Response Time) 响应时间是指从给定系统输入到开始输出这一段时间间隔。 4、系统资源利用率 利用率是指在给定的时间内，系统内的某一资源，如CPU外部设备等的实际使用时间所占的比例。 5、可维护性：错误排除和功能扩充两类 6、可移植性：系统转移所需工作量,1.4 操作系统的特性及性能指标,1.5.1 什么叫中断中断：是指当计算机系统发生某一事件后，CPU暂停正在执行的程序，转去执行该事件的处理程序，待该事件处理完后再回到暂停的程序处继续执行。中断信号：引起CPU中断的事件。中断处理程序：处理中断信号的程序。中断源：产生中断信号的那个部件。中断引入的原因： 1）为了解决慢速的IO设备与快速的CPU之间的矛盾。 2)计算机系统通过中断进行驱动。,1.5 中断系统,1.5.2 中断装置1、中断寄存器 为了区分和不丢失每个中断信号，通常对每个中断源都分别用一个固定触发器来寄存中断信号。并常规定其值为1时，表示该触发器有中断信号；其值为0时，表示无中断信号。这些寄存中断信号触发器的全体称为中断寄存器。2、中断扫描机构 在CPU的控制部件中增设一个能控制中断的机构，称为中断扫描机构。该机构通常在每条机器指令执行周期内的最后时刻扫描中断寄存器，查看是否有中断信号到来。,1.5 中断系统,1.5.2 中断装置2、中断扫描机构 中断断点：中断扫描机构发现中断时，刚执行完的那条指令所在的单元号。 恢复点：中断时PC所指的地址，即断点的逻辑后继指令的单元号。即是程序被中断后，再返回继续执行的那条指令的单元号。,1.5 中断系统,1.5.3 管态和目态CPU执行两类程序：用户程序或应用程序；操作系统程序在系统中设置一个标志触发器，取值1或0，用于标志正在运行的属于哪一类程序。管态：或称为系统态，即标志触发器取值为1，表示处于系统程序运行状态。在管态下运行的程序称为管理程序目态：或称用户态，即标志触发器取值为0，表示处于用户程序运行状态。在目态下运行的程序称为目的程序,1.5 中断系统,1.5.4 中断分类1、根据中断信号的含义和功能 1)机器故障中断 2)程序中断 3)外部中断 4)输入输出中断 5)访管中断自愿性中断2、根据中断信号的来源 1)外中断，简称中断。指来自CPU以外事件的中断。 2)内中断，有的称捕俘(trap)。指来自CPU内部事件的中断。,1.5 中断系统,强迫性中断,1.5.5 中断屏蔽中断屏蔽：是指使某些中断暂时不起作用的措施，虽然出现了该种中断的条件，但不对它进行处理，而中断源仍然保留，直到解除屏蔽后才响应中断。实现：对每种屏蔽要求设置一个专门触发器作为屏蔽标志位，且规定标志位为1表示屏蔽，标志位为0表示不屏蔽。中断屏蔽与禁止中断区别：前者接受了中断请求只是暂时不响应，等中断屏蔽撤消时，再响应该中断；后者是连中断请求也不让。,1.5 中断系统,1.5.6 中断优先级中断优先权：或中断优先级，即中断享有的高、低不同的响应权利。中断分级考虑如下原则： 1、按中断的重要性和处理的紧迫程度来分，通常把实时性强、影响面大的中断，列为高级中断。 2、把程序处理相似的中断源归并为同一级。,1.5 中断系统,1.5.6 中断优先级各种系统掌握这些原则各有不同的侧重点,1.5 中断系统,IBM4341机中断由高到低分为6级： 管理调用； 程序中断； 可抑制的机器检验中断； 外部中断； IO中断； 重新启动中断。,PDP-11机上的UNIX系统中断由高到低分为四级： CPU内部的中断 7 时钟中断 6 磁盘中断 5 其它外设中断 4,1.5.6 中断优先级在多级中断系统中，CPU处理中断的轨迹也变得复杂了。一般来说，处理原则如下： 1、级别高的与级别低的中断同时出现时，优先响应级别高的中断。 2、级别高的中断有打断级别低的中断的权利。 3、级别低的中断无权干扰级别高的中断。,1.5 中断系统,1.5.7 中断处理,1.5 中断系统,中断处理的一般过程（如图1-6所示）为：保存现场；分析中断原因；进入相应的中断处理程序；恢复现场；退出中断。,1.5.7 中断处理1、保存现场 保存现场的方法一般有如下几种： 1)集中保存。即在系统内存区开辟现场保留区。无论发生什么中断(或捕俘)时，均将现场信息保存在系统的这片区域内。 2)分散保存。即对每个程序都有一片区域。每当中断(或捕俘)发生时，便将现场信息保存在当前程序相关的现场区内。 3)集中分散保存。它是集中保存与分散保存的折衷。即系统内开设现场保留区，程序内部也分别设现场保留区。,1.5 中断系统,1.5.7 中断处理2、分析中断原因，进入中断处理程序 即根据中断源分析中断原因，以便转入不同处理。 3、处理中断 下面介绍几种中断事件的处理： 1)机器故障中断处理：保护现场，防止故障蔓延，报告操作员提供故障信息。 2)程序中断处理：一是显示错误性质，报告操作员请求干预；二是自行处理。,1.5 中断系统,1.5.7 中断处理4、恢复现场，退出中断 这里还应考虑以下两点： 1)如果此次中断是高级中断，并且被中断的外部程序是另一次的低级中断处理程序，则此次中断返回前应返回到前一次低级中断处理程序的现场。 2)如果原来被中断的是用户程序，即目态程序，则退出中断以前应先考虑进行一次调度选择，以挑选出更适合在当前情况下运行的新程序(如果有的话)。,1.5 中断系统,本章从操作系统的定义开始，主要讲述了操作系统功能、操作系统的分类、操作系统的特性及衡量操作系统性能的指标等知识，最后还简单介绍了中断系统的相关知识,1.6小结,第章 进程和处理机管理,要求学生掌握顺序程序和并发程序；进程的定义、特点及状态变迁；进程管理；进程间的同步与互斥；进程通信；死锁产生的原因与解除方法。,第章 进程和处理机管理,2.1 进程及其有关概念 2.2 进程管理 2.3 进程的同步与互斥 2.4 进程通信 2.5 死锁 2.6 小结,2.1.1 顺序程序 1.顺序程序：程序中若干操作必须按照某种先后次序来执行，并且每次操作前和操作后的状态之间都有一定的关系。,2.1 进程及其有关概念,2.顺序程序的基本特征 (1)程序执行的顺序性 (2)资源利用的独占性，又叫程序执行的封闭性 (3)执行结果的确定性,2.1.2 并发程序 1.并发执行：如果有多个程序段同时在系统中运行且执行时间是重叠的，即使重叠很小，我们也称这几个程序段是并发执行的。 2.要求：两个或两个程序处于运行状态,2.1 进程及其有关概念,图2-1 三个并发程序段示意图,2.1.2 并发程序 3.用语句形式描述并发程序（执行如图2-2） s0; cobegin s1; s2; sn; coendsn+1;,2.1 进程及其有关概念,图2-2 并发程序执行的优先图,2.1.2 并发程序 4.并发执行和并行执行的区别： 前者是在一段时间内，从宏观上看好象它们是在同时执行，而实际上CPU是按照一定的策略在轮流执行它们，在任一时刻，实际上只有一个程序段在执行。而并行执行需要多CPU的支持，在任一时刻，可以实现多个程序段的真正同时执行。 5 .引入并发程序的目的：主要是为了提高资源利用率，从而提高系统效率,2.1 进程及其有关概念,6.比较顺序程序和并发执行 举例：假设有A和B两个程序段，它们各自的执行过程如图2.3所示。,2.1 进程及其有关概念,图2-3顺序程序举例,如果这两个程序段是顺序执行，则CPU利用率= 40/80 = 50%DEV1利用率= 15/80=18.75%DEV2利用率= 25/80=31.25%,6.比较顺序程序和并发执行,2.1 进程及其有关概念,图2-4并发程序举例,如果这两个程序段按照如图2-4的顺序并发执行，那么CPU 利用率 = 40/45 = 89%DEV1利用率 = 15/45 = 33%DEV2利用率 = 25/45 = 56%,2.1.2 并发程序 7.并发执行的特征： (1)并发性 (2)程序结果的不可再现性（见下页例子） (3)在并发环境下程序的执行是间断性的，即程序“执行-暂停-执行” (4) 开放性 独立性 制约性：分为间接制约和直接制约 (7) 程序和计算不在一一对应,2.1 进程及其有关概念,例如，A向某帐号存钱，B从某帐号取钱。程序如右： 先执行A，后执行B，即先存钱，后取钱，其结果为s=900。 t1时刻：执行A中的 n=s;n=n+100;t2时刻：执行B中的 m=s;m=m-200;s=m;t3时刻：执行A中的s=n;则结果为s=1100。,程序结果的不可再现性举例,main() int s=1000；/最初余额cobeginwhile(A未完成) n=s;n=n+100;s=n;whilem=s;m=m-200;s=m;coend,2.1.3 进程的定义及其特征 1. 进程定义 最能反映进程实质的定义有： 1）进程是程序的一次执行 2）进程是可以和别的计算并发执行的计算 3）进程可定义为一个数据结构及能在其上进行操作的一个程序。 4）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行所发生的活动。,2.1 进程及其有关概念,5）进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 进程的一个正式的定义是：进程是在自身的虚拟地址空间运行的一个单独的程序，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位 这个定义包含的含义是： 1）进程一个动态的概念，而程序是一个静态的概念。,3.1 进程的基本概念,2）进程包含了一个数据集合和运行其上的程序。 3）同一程序运行于若干个不同的数据集合上时，它将属于若干个不同的进程，或者说，两个不同的进程可包含相同的程序。 4）系统分配资源是以进程为单位的，所以只有进程才可能在不同的时刻处于几种不同的状态，例如，等待，就绪，运行。 5）从微观上看，进程是轮换地占有处理机而运行的；从宏观上看，进程是并发运行的,2.1 进程及其有关概念,2.1.3 进程的定义及其特征 2.进程和程序的区别: 进程是程序的一次运行，属于动态概念；程序是指令的集合，是静态概念。 进程包含数据和运行其上的程序，这样静态地观察进程与程序含义相近。 同一程序运行于若干个不同的集合上时，它将属于若干个不同的进程。或者说，两个不同的进程可以包含相同的程序。,2.1 进程及其有关概念,2.1.3 进程的定义及其特征 2.进程和程序的区别: 进程能逼真的描述并发活动，而程序不明显。 微观上，进程是轮流抢占处理机而运行的，宏观上，进程是并发运行的。 程序存储需要介质，进程执行要处理。 进程是由程序和数据两部分组成的。 进程可以创建其他进程，可以处于等待、就绪、运行等几种不同的状态。,2.1 进程及其有关概念,2.1.3 进程的定义及其特征 3.进程和作业的区别: 一个正在执行的进程称为一个作业，而且作业可以包含一个或多个进程，尤其是当使用了管道和重定向命令时。 4. 进程的特征 动态 并发 独立 交互 异步,2.1 进程及其有关概念,2.1.4 进程的类型 1、系统进程和用户进程，两者的区别: 系统进程被分配一个初始资源集，这些资源可以独占，也可被拥有更高优先权的系统进程优先使用。用户进程要通过系统服务请求手段竞争系统资源。 用户进程不能直接做IO操作，而系统进程可以直接进行。 系统进程在管态下活动，用户进程在目态下活动。,2.1 进程及其有关概念,2.1.4 进程的类型 2、父进程和子进程 系统或用户首先创建的进程称父进程；在父进程下面的进程称子进程。进程图如图2-5所示：进程图：是一棵包含一个根结点有向树，Pi到结点Pj的一条边表示进程Pj是由进程Pi创建的,2.1 进程及其有关概念,图2.5 进程图,2.1.4 进程的类型 2、父进程和子进程 进程图反映了进程间的父子关系：创建与被创建、控制与被控制关系，体现了进程间的层次关系。 父子进程间的关系主要为： 进程控制：父创建或删除子 运行方式：同时运行或最后运行 资源共享：全部或部分共享资源,2.1 进程及其有关概念,2.2.1 进程的状态及其转换 1、进程的三个基本状态 运行状态 就绪状态 等待状态。也叫阻塞状态、挂起状态、封锁状态、冻结状态、睡眠状态。 2、引起进程状态转换的原因大致如下： CPU调度； 进程在运行过程中需要等待某一事件； 如果进程所等待的事件发生变化； 一个具体的进程在任何一个指定的时刻必须而且只能处于一种状态。,2.2 进程管理,2.2 进程管理,图2-6 进程状态变迁图,2.2.2 进程的组成 1、 进程的组成 进程由三部分组成：程序、数据集合和进程控制块(Process Control Blok，PCB) 前两者称为进程的实体，用PCB描述实体的存在和变化。,2.2 进程管理,2.2.2 进程的组成 2、进程控制块PCB 1)PCB的作用：标识进程存在的唯一实体 2）进程控制块PCB常用的信息如表2-1 3）PCB中的内容主要分为如下3大部分：进程标识符、处理器状态信息、进程控制信息,2.2 进程管理,表2-1 PCB的一般结构,2.2.2 进程的组成 3、 PCB表的两种组织方式 1）线性表；2）链接表。如图2-8所示,2.2 进程管理,(a)PCB的线性表,2.2.2 进程的组成 3、 PCB表的两种组织方式,2.2 进程管理,图2-8 PCB表的组织方式,4、进程的状态转换用PCB队列来表示,2.2 进程管理,图2.9 状态转换,2.2.3 进程控制 原语：程序、我们把系统态下执行的某些具有特定功能的程序段。 原语可以是机器指令集的扩充，其特点是执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。用于进程控制的原语有：创建原语、撤消原语、阻塞原语、唤醒原语等,2.2 进程管理,2.2.3 进程控制 1、创建进程 创建进程原语，操作系统主要完成以下几项工作： 1) 创建一个PCB。 2) 赋予一个统一的进程标识符。 3) 为进程映象分配空间。 4) 初始化进程控制块。 5) 设置相应的链接,如把新进程加到就绪队列的链表中。,2.2 进程管理,假设我们用n表示进程名（外部标识符），CPU的初始状态为S，优先数为K，内存始址为M，资源清单为R，申请的PCB的内部标识符为i，则创建进程原语可描述为：,创建原语,Create(n,S,K,M,R,acc) i=get new internal name(n)； 为n申请一个PCB，标号送入iidi=n； 进程外部标识符登记第i个PCB相应域 priorityi=K； 置优先数 cpustatei=S； 置CPU状态 main storei=M； 置内存始址 resourcespi=R； 置资源表 statusi=“readys”； 置该进程为就绪状态 sdatai=RL； 指向就绪队列 parenti=*； 置创建它的父进程名insert(progeny(*),i)； 插入进程簇中 set accounting data； 建立记帐信息 insert(RL,i) 将PCB插入就绪队列,2、删除进程又称撤消进程 删除进程的3种情形：1）正常终止；2）由于错误非正常终止；3）祖先进程要求撤销 删除进程通常需要完成以下工作： 1）定位欲删除的进程PCB； 2）回收进程所占的全部资源； 3）递归地删除其所有“子孙”进程； 4）删除PCB，处理记账信息； 5）若删除的是正在运行的进程，则请求重新调度，否则返回。,2.2 进程管理,删除进程原语Kill操作如下：,Delete(n)Sched=false; /置调度标志为假I=get internat name(n); /找内部进程号 Kill(i); /调删除进程过程If(sched)Scheduler; /若i为运行态，则重新调度kill(i)If(statusi=”Executing”) /若i为运行态stop(i); / 停止i的执行，保存CPU信息sched=true; /置重新调度标志remove(sdatai,i); /从队列中删去i进程for(all sprogency(i)kill(s) /删除i的所有子进程for(all r(main store(i)resoure(i)if ownedr then /如果是i的祖先的资源，则全部归还insert (avail(semaphore(r),data(r); / 给它的祖先for (all Rcreae resources(i)remove resources descriptotR; /创建时申请的资源全部归还给系统remove pchi; /释放PCB,2.2.3 进程控制 3、挂起进程 进程挂起方式：自身挂起；挂起指定标识符的进程；进程全部或部分子孙进程挂起 在挂起进程控制中主要完成以下工作： 1）定位欲挂起的进程PCB； 2）将其运行的有关现场信息放至调用者指定的区域； 3）将进程变为挂起状态； 4）如果进程从运行状态变为挂起状态，则请求重新调度。,2.2 进程管理,假设挂起指定标识符为n的进程，调用者指定区域为a，则挂起进程原语可描述为：,2.2 进程管理,Suspend(n,a)i=get-internal-name(n); /根据指定标识符n获取进程内部号S=statusi; /把状态赋给sIf(s=”Executing”)Stop(i); /若进程为执行态，则中断A=copy-PCBi; /保存状态到指定区域Status(i)=(s=”Blockeda”?”Blockeds”:”Ready”); /若状态为活动阻塞，则挂起进程为静止阻塞，否则为就绪状态If(s=”Executing”)Scheduler; /若为执行态，则重新调度,2.2.3 进程控制 4、唤醒进程 进程唤醒方法：1）有系统进程唤醒； 2）有事件发生进程唤醒 唤醒进程原语完成的主要工作如下： 1）定位被唤醒的进程PCB； 2）将其改变为就绪状态，插入就绪队列； 3）请求重新调度。,2.2 进程管理,假设唤醒指定标识符为n的进程，则唤醒进程原语可描述为：,2.2 进程管理,Wakeup(n)i=get-internal-name(n); /找到唤醒进程nRemove(WLr,i); /从等待队列中出队Statusi=”ready”; /将其变为就绪队列Insert(RL,i); /插入就绪队列Scheduler; /重新调度,在以上算法中，WL为等待队列，RL为就绪队列。,2.2.4进度调度 进程调度（也称CPU调度）:按照某种调度算法从就绪队列中选取进程分配CPU，也叫低调 衡量各种调度算法性能优劣的指标: 1）CPU利用率主要目标CPU利用率=CPU利用的时间/开机运行的总时间 2）等待时间 3）响应时间 4）I/O设备的利用率 5）“时空”代价,2.2 进程管理,2.2.4进度调度 进程调度方式：剥夺调度和非剥夺调度 下面介绍几种常见的进程调度方法 1.先来先服务（First come first service, FCFS） 2. 轮转法（RR，Round Robin） 将CPU的处理时间分成固定大小的时间片，进程时间片内轮转执行 关键问题：如何确定时间片的大小 时间片q = RT/Nmax,2.2 进程管理,将考虑下面3个进程，它们按1，2，3的顺序处于就绪队列中： 进程 下一个CPU周期 P1 24 P2 3 P3 3,2.2 进程管理,图2-10 执行过程1,图2-11 执行过程2,FCFS调度算法,其他调度算法,2. 轮转法设有如下4个就绪进程： 进程 下一个CPU周期 P1 6 P2 3 P3 1 P4 7 则如图2-12所示,2.2 进程管理,0 1 2 3 4 5 6 7 q,2.2.4进度调度 3. 多级反馈轮转法 思想：不同级别的就绪队列分配给不同时间片，优先级高的为第一级队列，时间片最小，随着队列级别降低，时间片加大 例如：考虑由3个队列组成的多级队列调度3个队列的编号分别为0, 1, 2，如下图,2.2 进程管理,2.2.4进度调度 4. 优先数法（Priority） 思想：按进程的优先级确定调度优先权 优先级确定方法：（1）静态法：可按进程类型、资源的要求、用户要求指定（2）动态法：原则是合理地分配CPU时间、紧急的程序优先,2.2 进程管理,实例解释：假设就绪状态有4个进程，每个进程所需运行时间如下所示。 进程 所需运行时间 1 6 2 3 3 1 4 7 进程到达次序为1，2，3，4。试分别按先来先服务调度算法、短进程优先调度算法和时间片轮转法(时间片分1，3，5，6) 给出进程调度顺序，并计算平均等待时间。,2.2 进程管理,解：（1）先来先服务调度算法进程调度顺序为： 平均等待时间：T=14(0+6+9+10)=6.25（2）短进程优先调度算法进程调度顺序为： 平均等待时间： T=14(4+1+0+10)=3.75（3）时间片轮转法,2.2 进程管理,解：时间片为1，进程调度顺序如下： 平均等待时间：T=1/4(0+3+2+2+1+1)+(1+3+2)+2+(3+2+2+1+1+1) =14(9+6+2+10)=6.75时间片为3，进程调度顺序如下： 平均等待时间：T=14(0+7)+3+6+(7+3) =14(7+3+6+10)=6.5,2.2 进程管理,解：时间片为5，进程调度顺序如下： 平均等待时间： T=14(0+9)+5+8+(9+1)=14(9+5+8+10)=8时间片为6，相当于先来先服务调度算法。其进程调度顺序和平均等待时间与先来先服务调度算法相同。总结：短进程优先调度算法使进程平均等待时间最小。对于时间片轮转法，进程平均等待时间与时间片的大小有关。 ,2.2 进程管理,进程间的两种主要关系： 1、互斥关系，也称间接制约关系：各进程间竞争、互斥使用共享资源 2、同步关系，也称直接制约关系：指多个进程发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。譬如公共汽车上司机与售票员的合作就是一种同步关系。,2.3 进程的同步与互斥,同步与互斥的特点比较如表2-1所示。,2.3 进程的同步与互斥,表2-1 同步与互斥的比较,2.3.1 临界区 临界资源：一次只允许一个进程使用的资源 临界区：在进程中涉及到临界资源的程序段 使用临界区、解决互斥问题应遵守以下原则： 1）有空让进 2）等待 3）多中择一 4）有限等待 5）让权等待,2.3 进程的同步与互斥,2.3.1 临界区 我们先看一下几个问题： 问题1：设进程P1，P2，共享一台打印机 问题2：生产者消费者问题(ProducerConsumer) 这里，生产者和消费者进程因为共享使用着一个软件资源产品系列，若按不恰当的执行顺序，则队列操作就会出现混乱。,2.3 进程的同步与互斥,小结：从以上二个例子可以看到，进程之间若共享互斥资源(共享外设打印机，共享队列等)，则会出现互斥问题，即存在临界区问题。,2.3.2互斥 进程互斥进入方法： 1、用禁止中断实现互斥 2、用锁操作原语实现互斥 为共享资源设置一