软件技术基础_ 操作系统的资源管理ppt课件.ppt

1 2 4 1资源管理的方法和策略2 4 2处理机分配2 4 3存储管理2 4 4文件管理 2 4操作系统资源管理 2 2 4 1资源管理的方法和策略 1 资源管理方法1 定义资源数据结构 资源名称 使用特性 哪些空闲 哪些已被占用 由谁占用等 2 确定资源的分配原则 调度原则 分给谁 分多少 何时分 3 资源分配与回收4 存取控制和安全保护 3 2 4 1资源管理的方法和策略 2 常用的资源分配策略1 先请求先服务 又叫简单排队策略或FIFO FirstInFirstOut 资源分派给先请求者 2 优先调度策略 请求者事先指派一个优先级 用此反映请求者要求处理的紧迫程度 资源分派给优先级最高者 返回 4 宏观调度 作业调度 选择辅存上的哪些后备作业进入系统内存 使其具备竞争处理机的资格 微观调度 进程调度 当CPU空闲时 在进入内存的所有进程中 确定哪个进程在什么时候获得处理机 使用多长时间 线程调度 1 处理机的多级调度 5 先来先服务调度算法 按作业来到的先后次序进行调度 这种算法优先考虑在系统中等待时间最长的作业 而不管它要求运行时间的长短 1 作业调度算法 短作业优先调度算法 按作业运行时间的长短进行调度 它总是选取计算时间最短的作业为下一个服务对象 6 进程 线程 调度 作业调度 7 2 进程调度 当处理机空闲时 根据一定的调度策略从就绪队列中选择一个进程去运行 分配一个处理机时间 选择哪个就绪进程呢 进程调度算法 8 预先确定各进程的优先数 系统把处理机的使用权赋予就绪队列中具备最高优先权 优先数和一定的优先级相对应 的就绪进程 常用的进程调度算法 进程就绪队列排序原则 1 优先数调度算法 例如 在实时系统中 实时任务的优先级高 当实时任务到达时 采用优先数调度算法的进程调度程序就会优先选择实时任务运行 9 当CPU空闲时 选取就绪队列首元素 赋予一个时间片 当时间片用完时 该进程转为就绪态并进入就绪队列末端 例如 在分时系统中 往往采用循环轮转调度算法 以保证对每个用户的公平响应 常用的进程调度算法 进程就绪队列排序原则 2 循环轮转调度算法 返回 10 1 存储管理的功能 主存分配 按照一定的算法把某一空闲的主存区域分配给进程 地址映射 地址映射是将用户可见的逻辑地址 虚存 映射为主存的物理地址 存储空间 以保证程序的正确执行 信息保护 保证各道用户程序或进程在各自规定的存储区域内操作 互不干扰 扩充 主存容量 系统提供虚拟存储技术 使用户程序的大小不受主存容量的限制 即使在用户程序比实际主存容量还要大的情况下 程序也能正确运行 11 12 2 传统的连接装配功能 静态的连接装配 程序编译后形成以0作为参考地址的多个目标模块 obj 连接装配程序 link 把目标模块连接成为一个具有统一地址的模块 装配模块 内存映像文件 exe 以便最终把它装入主存并执行 13 逻辑地址 相对地址 虚地址 程序编译或解释后形成以0为参考地址的浮动目标模块 目标模块中的程序地址 指令地址或操作数地址 称为逻辑地址 作业地址空间 用户程序所有逻辑地址的集合称为作业地址空间或虚空间 物理地址 绝对地址 实地址 计算机主存单元的真实地址 主存空间 物理地址的集合所对应的空间 14 作业的地址空间装入主存 作业地址空间 存储空间 地址如何重定位 15 在程序执行之前进行重定位 即当程序装入主存的起始地址确定后 内存装入程序根据这一起始地址对程序中有关的地址部分进行调整 1 静态重定位 程序在重定位之后 不能根据主存使用情况的改变动态的调整在主存中的位置 16 动态重定位在程序执行过程中 程序相关内存地址随着每条指令和数据的访问自动地连续地进行映射 这种系统采用的是分区存储管理 重定位之后 程序在主存中的位置可以动态的调整 17 容易产生内碎片 分区大小固定不变 每个分区装一个且只能装一个作业 固定分区存储 18 可变分区存储 1 基本思想内存不是预先划分好的 而是当作业装入时 根据作业的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配 若有足够的空间 则按需要分割一部分分区给该进程 否则令其等待主存空间 19 空闲区表 已分配区表 20 空闲区表 已分配区表 容易产生外碎片 21 4 分页存储管理技术 页和块的概念 1 页 把作业的地址空间分成大小相等的单位 称为页 2 块 把主存空间分成与页大小相等的单位 称为块 页式系统的基本思想 程序运行时 每个页装入到一个块中 整个程序可以使用不连续的块 22 问题 作业的物理地址空间由连续变成分散后 如何保证程序的正确寻址呢 方法 使用页面映像表来记录页与内存块之间的对应关系 页面映像表简称页表 23 以作业2中执行movr1 2500 指令为例 假定页大小为1kb 存放指令地址的寄存器为16位 cpu给出的逻辑地址2500在该地址寄存器中被自动分解为两部分 页号p和页内位移w 3 页式地址变换 1kb 1024byte 24 页式地址变换 7 1024 452 7620 变换过程 练习 如果程序很大 内存装不下 怎么办 25 5 请求分页存储管理 部分作业页面装入主存后程序即投入运行 然后系统根据进程运行过程中的请求 动态的从辅存调入所需的页面 基于程序执行的局部性原理 把内存与外存有机的结合起来使用 从而得到一个容量很大的 内存 这就是虚存 当内存空间已满 而又需要装入新的页面时 则根据某种算法淘汰某个页面 以便装入新的页面 页式存储管理不利于程序段在内存中的共享 26 5 请求分页存储管理 部分作业页面装入主存后程序即投入运行 然后系统根据进程运行过程中的请求 动态的从辅存调入所需的页面 基于程序执行的局部性原理 把内存与外存有机的结合起来使用 从而得到一个容量很大的 内存 这就是虚存 当所要访问的页不在内存 则产生缺页中断 页式存储管理不利于程序段在内存中的共享 27 缺页中断 PageFault 操作系统接到此中断信号后 就调出缺页中断处理程序 根据页表中给出的外存地址 将该页调入内存 使作业继续运行下去 如果内存中有空闲块 则分配一页 将新调入页装入内存 并修改页表中相应页表项目的驻留位及相应的内存块号 若此时内存中没有空闲块 则根据某种淘汰算法淘汰某个页面 以便装入新的页面 若该页在内存期间被修改过 则要将其写回外存 28 程序执行的局部性原理 程序执行时 有很多的循环和子程序调用 一旦进入这样的程序段 就会重复存取相同的指令集合对数据存取也有局部性 在较短的时间内 稳定地保持在一个存储器的局部区域 处理器主要和存储器的局部打交道在经过一段时间以后 使用的代码和数据集合会改变 29 页面淘汰算法 理想淘汰算法 最佳页面算法 OPT 淘汰以后不再需要的或最远的将来才会用到的页面先进先出页面淘汰算法 FIFO 选择在内存中驻留时间最长的页并淘汰之第二次机会淘汰算法 SCR 按照先进先出算法选择某一页面 检查其访问位 如果为0 则淘汰该页 如果为1 则给第二次机会 并将访问位置0最近最少使用页面淘汰算法 LRU 选择最后一次访问时间距离当前时间最长的一页并淘汰之即淘汰没有使用的时间最长的页 30 6 段页式存储管理 1 段式存储管理用户地地址空间由若干逻辑分段组成 每个分段有自己的名字 31 程序地址的一般形式由一数对 s w 组成 其中S是段号 W是段内位移 6 段页式存储管理1 段式存储管理 32 2 段页式存储管理 在段式存储管理中再结合分页存储管理技术 就形成了段页式存储管理 将段再划分成大小相等的页 这样地址结构就是由段号 段内页号和页内位移三部分组成 用户使用的仍是段号和段内相对地址 由地址变换机构自动将段内相对地址的高几位解释为段内页号 将剩余的低位解释为页内相对地址 33 34 返回 35 2 4 4文件系统 文件 36 2 4 4文件系统 1 文件和文件系统2 文件的逻辑结构与存取方法3 文件的物理结构4 文件目录5 文件操作 37 2 4 4 文件系统 什么是文件 文件是在逻辑上具有完整意义的信息集合 它有一个名字以供标识 文件名是有若干约束的字符串 什么是文件系统 文件系统是操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构 负责 辅存空间的管理和文件的存储构造文件结构提供文件存取功能提供文件共享功能提供文件保护功能 计算机数据管理的重大发展 用户不需要关心信息的存储细节 38 可以用两种不同的观点去进行研究文件的结构用户观点 是研究用户 思维 中的抽象文件 或称逻辑文件 其研究的侧重点在于为用户提供一种逻辑结构清晰 使用简便的逻辑文件形式 用户将按照这种形式去存储 检索和加工有关文件中的信息 文件的两种结构 实现观点 是研究驻留在设备 介质 中的实际文件 或称物理文件 它研究的侧重点是选择一些工作性能良好 设备利用率高的物理文件形式 系统将按照这种形式同外部设备打交道并控制信息的传输 逻辑结构 物理结构 39 按性质和用途分 1 系统文件 2 程序库文件 3 用户文件按文件的流向分 1 输入文件 2 输出文件 3 输入输出文件 按保护级别分 1 执行文件 2 只读文件 3 读写文件 4 不保护文件 1 文件 40 2 文件系统 特点 1 使用简单 使用文件名和文件命令 2 安全可靠 有防护措施 文件遭受破坏时能及时复原 3 即能共享又能保密 规定存取权限 存取验证 返回 41 2 文件的逻辑结构与存取方法 1 文件的逻辑结构 1 流式文件 无结构的流式文件是相关的有序字符的集合 2 记录式文件 有结构 是一组顺序的记录集合 每个记录由彼此相关的域组成 42 2 文件的逻辑结构与存取方法 1 顺序存取 前一次存取总在后一次存取的基础上进行 不必给出具体的存取位置 2 随机存取 能够以任意次序存取文件中的字节和记录 返回 2 文件的存取方法 43 3 文件的物理结构 涉及文件在存储器中的安排 表示一个文件在辅存中的位置 链接和编目方法 1 连续文件由分配在磁盘连续区域的物理块组成 每个记录都有一个序号 优点 连续存取时速度快 44 3 文件的物理结构2 串联文件 文件信息存于介质的若干物理块中 每个块的最末 或第一个 字作为链接字 指出后继块的物理地址 文件最后一块的链接字为结束标志 表示文件至此结束 串联文件结构 45 3 文件的物理结构3 索引文件 建立逻辑块号与物理块号的对照表 索引表 按逻辑块号顺序排序 优点 随机存取 便于文件增删 返回 46 4 文件目录 什么是文件目录 文件系统的主要功能是实现按名存取 用户只需向系统提供一个文件的符号名 系统就能准确地找出所要的文件 为此系统应记录文件名与其存储地址的映射关系 以及该文件的使用特性及访问权限等信息这些信息存放在一个称为文件目录的数据结构中 47 4 文件目录 所谓文件目录 是指用于记录系统中所有文件的说明及控制信息的数据结构 文件名文件的逻辑结构文件的物理位置存取控制信息 不同用户对该文件的使用权限 管理信息 如文件的创建时间 最后一次存取时间等 文件类型 如数据文件 目录文件等 48 一级文件目录 在系统中建立一张线性表 每个文件的信息作为表中的一个数据元素 这样的线性表称为一级文件目录 采用线性表结构 优点 实现简单缺点 重名 问题 不同用户对不同文件指定了相同的名字 即两个或多个文件只有一个相同的符号名 49 50 多级文件目录 采用树结构 在多级目录系统中 目录项可以描述一个目录文件 也可以描述一个非目录文件 数据文件 而数据文件一定在树叶上 这样 就构成了一个树型结构 优点 解决了 重名 问题 可在不同子目录下创建同名文件 对同名文件采用路径名来区分一个文件的路径名由主目录到该文件的通路上所有目录文件名和该文件的符号名组成 如 D abc xyz test c 返回 51 5 文件操作 目录文件 将大量的文件目录组织成文件 打开文件 就是把目录文件中该文件的有关表目复制到主存内约定的区域内 建立用户和这个文件的联系 系统活动文件表 主存中存放这些目录表目的区域 关闭文件 系统将其在主存中的有关表目信息写回到辅存中对应的目录表目中 并删除主存中的表目 从而切断用户和这个文件的联系 52 为了使用户能方便 灵活地使用文件 文件系统提供文件系统的调用命令 这些系统调用命令描述了文件系统呈现在用户面前的面貌 命令的数目及其功能取决于具体操作系统 文件操作 例 UNIX系统的文