网络操作系统的基本功能PPT课件

.,1,全国信息技术水平考试计算机网络操作系统,主讲：重庆财经职业学院罗飞（高级工程师）信息产业部信息系统项目管理师、网络工程师、数据库系统工程师,.,2,第2章网络操作系统的基本功能,2.1进程管理2.2输入输出设备管理2.3存储管理2.4页面系统2.5操作系统的服务,.,3,2.1进程管理,2.1.1进程概述2.1.2进程间通信2.1.3进程间通信（IPC）2.1.4进程调度2.1.5线程及其管理,.,4,2.1.1进程概述,进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。进程是操作系统中最基本、重要的概念。是多道程序系统出现后，为了刻画系统内部出现的动态情况，描述系统内部各道程序的活动规律引进的一个概念,所有多道程序设计操作系统都建立在进程的基础上。系统中进程是处理器调度的独立单位，计算机系统内部资源分配是以进程作为单位的。,.,5,2.1.1进程概述程序,程序的定义：程序是一个在时间上严格顺序执行的操作序列，是人们利用计算机完成所需工作采取的步骤的描述，是一个静态的概念。（主要是从存储的角度来看的）,.,6,2.1.1进程概述程序顺序执行,程序的顺序执行所具有的特征：（1）顺序性程序的步骤总是按照预先定义的次序执行（2）封闭性程序运行时，其独占系统的所有资源，只有程序能改变资源的状态，则程序的运行结果和外界无关。（3）可再现性程序运行环境和初始条件相同变能在程序重复执行时得到相同的结果。,.,7,2.1.1进程概述程序并发执行,并发执行的特性：（1）不可再现性程序并发执行打破了一个程序独占系统资源的封闭性，且运行环境不再由一个程序决定，因此，破坏了可再现性。（2）间断性资源并未被一个程序独占，因此存在为多个程序分配资源的问题（3）共享资源（4）一个程序在系统中可存在多个副本（5）并发运行的程序存在合作或制约的关系,.,8,2.1.1进程概述进程的定义,目前进程的定义没有统一的说法，主要是定义的角度不同。最常见的一种定义为：进程是程序的一次执行过程，是一个动态的概念。进程的其他特点：进程是独立的资源分配与处理器调度的基本单位；进程能够与其他进程并发执行。,.,9,2.1.1进程概述进程的定义,进程特性总结：（1）动态性：说明了进程有一个从创建到消亡的过程。（2）并发执行：并行性是进程的重要特征（3）独立性：系统资源分配独立单位。（4）异步性,.,10,2.1.1进程概述进程与线程,从静态的角度来看，进程实体由程序块、进程控制块、数据块3部分构成。各结构的作用：程序块：描述该进程所要完成的任务。数据块：包括程序在执行时所需要的数据和工作区。进程控制块：包括进程的描述信息、控制信息、资源管理信息和CPU现场保护性息等，反映了进程的动态特性。,.,11,2.1.1进程概述进程与线程,PCB是进程存在的惟一标志，PCB描述了进程的基本情况。在创建一个进程的时候，首先应该创建其PCB，然后才能根据PCB中的信息对进程实施有效的管理和控制。当一个进程完成其功能后，系统则释放PCB，进程也随之消亡。注意：一般情况下，进程的PCB结构都是全部或部分常驻内存的。,.,12,2.1.1进程概述进程与线程,在支持线程的操作系统中，线程是进程中的一个实体，是系统实施调度的独立单位。线程只拥有一些在运行中必不可少的资源，它与属于同一个进程的其他线程共享该进程所拥有的资源。线程切换时只需要保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作，所以线程切换的开销远小于进程的切换。同一个进程中的多个线程共享同一个地址空间，这使得线程之间同步和通信的实现也比较容易。,.,13,2.1.1进程概述进程管理,进程管理是操作系统的核心功能之一，其实质上是对处理机执行“时间”的管理，即如何将CPU资源真正合理的分配给每个任务。,.,14,2.1.1进程概述进程的控制,1、进程状态就绪状态：进程分配到除处理机以外的必需的资源（已经具备了执行条件）的状态。进程被创建后处于就绪状态，可以有多个进程处于就绪状态。执行状态：进程占有处理机正在CPU上执行的状态。在单CPU系统中，每一个时刻只能有一个进程处于执行状态。阻塞状态：进程因某个时间的发生而放弃处理机进入等待状态。处于这个状态的进程可以有多个。挂起就绪/挂起阻塞：挂起与活动状态的本质区别就在于前者的进程处于外存储器中，而后者的进程处于内存储器之中。,.,15,2.1.1进程概述进程的控制,2、进程状态的转换,.,16,2.1.1进程概述进程的控制,2、进程状态的转换进程的状态随着自身的推进和外界的变化而变化。比如：就绪状态的进程被进程调用程序选中进入执行状态；执行状态的进程因等待某一时间的发生转入等待状态；等待状态的进程所等待的事件来到便进入就绪状态。注意：阻塞状态的进程不能直接进入执行状态，就绪状态的进程不能直接进入阻塞状态。任何时刻，任何进程都处于且只能处于某一状态。,.,17,2.1.2进程间通信进程同步与互斥,1、进程同步与互斥的定义进程运行过程中，资源共享和进程间合作存在着制约关系。系统资源的使用有两种方式：一种是排他式，处理机、IO设备等；另一种是信息或数据结构的共享。前者称为进程间的间接制约关系，后者称为直接制约关系。直接制约就是同步，间接制约就是互斥。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区，这些代码想要访问的资源就称为临界资源。,.,18,2.1.2进程间通信进程同步与互斥,1、进程同步与互斥的定义（接上页）进程互斥定义：一组并发进程中一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致它们必须以一个不允许交叉执行的单位执行。也就是说，互斥要保证临界资源在某一时刻只被一个进程访问。进程同步定义：把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程同步。也就是说，进程之间是异步执行的，同步即是使各进程按一定的制约顺序和速度执行。,.,19,2.1.2进程间通信信号量机制,1965年荷兰Dijkstra提出的一种广义锁机制，即能用于解决互斥也能解决同步问题。在操作系统中，信号量是一个整数，当信号量大于等于零的时候，代表了可以供并发进程使用的资源实体数，当信号量小于零的时候则表示正在等待使用临界区的进程数。建立一个信号量，必须说明该所建信号量所代表的意义和设置初始值，以及建立相应的数据结构，以便指向那些等待使用该临界区的进程。,.,20,2.1.2进程间通信信号量机制,（P、V操作）对信号量只能施加特殊的操作：P操作和V操作。P操作和V操作都是不可分割的原子操作，也称为原语，因此，P操作和V操作执行过程中不允许中断发生。P(sem)操作的作用是将信号量sem的值减1，若sem为负值，那么P操作暂停执行。V(sem)操作的作用是将信号量sem的值加1，若sem为负值，则从相应队列（与sem有关的队列）中选一个进程，唤醒它。,.,21,2.1.2进程间通信P、V操作,P、V操作的定义P：P（sem）sem=sem-1;if(sem0)进程进入等待状态；else继续执行；,.,22,2.1.2进程间通信P、V操作,P、V操作的定义V：V（sem）sem=sem+1;if(sem0)唤醒队列中的一个等待进程；else继续执行；,.,23,2.1.2进程间通信用P、V操作实现进程互斥,进程互斥使用的是公有信号量设信号量mutex是用于互斥的信号量，初始值为1，表示没有并发进程使用该临界区。于是，各并发进程的临界区可以改写成下列形式的代码段：P（mutex）;临界区;V（mutex）;,.,24,2.1.2进程间通信用P、V操作实现进程同步,要用P、V操作实现进程同步，需要引进私用信号量，私用信号量只与制约进程和被制约进程有关，而不是与整组并发进程相关。首先为各并发进程设置私用信号量，并设定初始值，然后利用P-V原语和私用信号量规定各进程的执行顺序。,.,25,2.1.2进程间通信用P、V操作实现进程同步,经典同步问题的例子是生产者消费者问题。这要求存后载取，取后再存，因此，这个例子需要两个信号量。,.,26,2.1.2进程间通信用P、V操作实现进程同步,设两个信号量分别为：Bufempty和Buffull相应的程序段形式如下：生产者：Loop生产一产品next；P(Bufempty);next产品存储缓冲区；V(Buffull);Endloop消费者：LoopP(Buffull);V(Bufempty);从缓冲区中取出产品;使用产品endloop,.,27,2.1.2进程间通信管程,代表共享资源的数据结构，以及由对该共享数据结构实施操作的一组过程所组成的资源管理程序，共同构成了一个操作系统的资源管理模块，我们称之为管程。管程由四部分组成：1.管程的名称；2.局部于管程内部的共享数据结构的说明；3.对该数据结构进行操作的一组过程；4.对局部于管程内部的共享数据设置初始值的语句。,.,28,2.1.2进程间通信管程,管程的数据结构，只能被属于管程的进程所访问，任何管程之外的过程都不能访问它；反之，局部于管程的过程也只能访问管程内的数据结构。由此可见，管程相当于围墙，它把共享变量和对它进行操作的若干个过程围了起来，所有进程要访问临界资源时，都必须经过管程才能进入，而管程每次只允许一个进程进入管程，从而实现了进程的互斥。,.,29,2.1.3进程间通信（IPC）,1.直接通信每个发送或接受信件的进程必须指出信件的接收者或信件的发送者。2.间接通信间接通信使用称为信箱的数据结构。发信进程只是负责把信件投入信箱；而收信进程只是从信箱中取出信件进行处理。每个信箱有一个唯一的标识。通信链路可以是单工，也可以是双工的。,.,30,2.1.3进程间通信管道通信,管道是连接读写进程的一个特殊文件，允许进程按先进先出方式传送数据,也能使进程同步执行操作。发送进程以字符流形式把大量数据送入管道，接收进程从管道中接收数据，所以叫管道通信.管道的实质是一个共享文件，基本上可借助于文件系统的机制实现，包括（管道）文件的创建、打开、关闭和读写.进程对通信机构的使用应该互斥，一个进程正在使用某个管道写入或读出数据时，另一个进程就必须等待.发送者和接收者双方必须能够知道对方是否存在，如果对方已经不存在，就没有必要再发送信息.管道长度有限,发送信息和接收信息之间要实现正确的同步关系，当写进程把一定数量的数据写入管道，就去睡眠等待，直到读进程取走数据后，把它唤醒。,.,31,2.1.4进程调度,1.调度时机进程调度发生在什么时机呢？这与引起进程调度的原因以及进程调度的方式有关。引起进程调度的原因有以下几类，(1)正在执行的进程执行完毕。这时，如果不选择新的就绪进程执行，将浪费处理机资源。(2)执行中进程自己调用阻塞原语将白己阻塞起来进入睡眠等状态。(3)执行中进程调用了P原语操作，从而因资源不足而被阻塞；或调用了v原语操作激活了等待资源的进程队列。(4)执行中进程提出I/O请求后被阻塞。(5)在分时系统中时间片已经用完。(6)在执行完系统调用等系统程序后返回用户进程时，这时可看作系统进程执行完毕，从而可调度选择一新的用户进程执行。*以上都是在可剥夺方式下的引起进程调度的原因。在CPU执行方式是可剥夺时还有(7)就绪队列中的某进程的优先级变得高于当前执行进程的优先级，从而也将引发进程调度。,.,32,2.1.4进程调度,2.调度方式非剥夺方式分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行，直到进程完成或发生某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。剥夺方式当一个进程正在运行时，系统可以基于某种原则，剥夺已分配给它的处理机，将之分配给其它进程。剥夺原则有：优先权原则、短进程、优先原则、时间片原则。例如，有三个进程P1、P2、P3先后到达，它们分别需要20、4和2个单位时间运行完毕。假如它们就按P1、P2、P3的顺序执行，且不可剥夺，则三进程各自的周转时间分别为20、24、26个单位时间，平均周转时间是23.33个时间单位。假如用时间片原则的剥夺调度方式，可得到：可见：P1、P2、P3的周转时间分别为26、10、6个单位时间，平均周转时间为14个单位时间。衡量进程调度性能的指标有：周转时间、响应时间、CPU-I/O执行期。,.,33,2.1.4进程调度,3.进程调度算法先进先出算法(FIFO)算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机，便一直执行下去，直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。例如，有三个进程P1、P2和P3先后进入就绪队列，它们的执行期分别是21、6和3个单位时间，执行情况如下图：对于P1、P2、P3的周转时间为21、27、30，平均周转时间为26。可见，FIFO算法服务质量不佳，容易引起作业用户不满，常作为一种辅助调度算法。最短CPU运行期优先调度算法(SCBF-ShortestCPUBurstFirst)该算法从就绪队列中选出“下一个CPU执行期”最短的进程，为之分配处理机。,.,34,2.1.4进程调度,例如，在就绪队列中有四个进程P1、P2、P3和P4，它们的下一个执行期分别是16、12、4和3个单位时间，执行情况如下图：P1、P2、P3和P4的周转时间分别为35、19、7、3，平均周转时间为16。该算法虽可获得较好的调度性能，但难以准确地知道下一个CPU执行期，而只能根据每一个进程的执行历史来预测。轮转法前几种算法主要用于批处理系统中，不能作为分时系统中的主调度算法，在分时系统中，都采用时间片轮转法。简单轮转法：系统将所有就绪进程按FIFO规则排队，按一定的时间间隔把处理机分配给队列中的进程。这样，就绪队列中所有进程均可获得一个时间片的处理机而运行。多级队列方法：将系统中所有进程分成若干类，每类为一级。多级就绪队列多级就绪队列方式是在系统中设置多个就绪队列，并赋予各队列以不同的优先权。,.,35,2.1.5线程及其管理,是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。,.,36,2.2输入/输出设备管理,输入/输出设备管理的主要任务如下：（1）按照用户需求提出的要求接入外部设备，系统按照以低昂算法分配和管理控制，而用户不必关心设备的实际地址和控制指令；（2）尽量提高输入输出设备的利用率，例如发挥主机与外设以及外设与外设之间的真正并行工作能力。,.,37,2.2输入/输出设备管理概念,设备管理程序一般要提供下述功能：（1）提供与进程管理系统的接口。（2）进行设备分配。（3）设备设备和设备、设备和cpu之间的并行操作。（4）进行缓冲区管理。（5）,.,38,2.2输入/输出设备管理数据传输控制方式,外围设备和内存之间的常用数据传送控制方式如下：1、程序控制方式2、中断控制方式3、DMA（内存直接存取）方式4、通道控制方式,.,39,2.2输入/输出设备管理程序控制方式,程序控制方式就是将对输入输出设备的控制在程序编写的时候设定。程序控制方式又称为无条件方式（同步式传送方式）与条件传送方式两种。,.,40,2.2输入/输出设备管理程序控制方式,无条件传送方式：在程序中的恰当位置植入I/O指令，当程序执行到这些指令时，设备马上与cpu进行数据交换。但这种方式要求外设总是在数据交换前做好接收或发送数据的准备，因而只适用于操作时间为已知或变化十分缓慢的外设。,.,41,2.2输入/输出设备管理程序控制方式（条件传送方式）,条件传送方式：在执行I/O操作之前先用程序对外设的状态进行检测。只有当检测到所选择的外设已做好输入/输出准备并发挥状态信息后，才能开始执行I/O操作。因此，这种方式也被称为状态查询方式。,.,42,2.2输入/输出设备管理程序控制方式（条件传送方式）,这种方式下，由于cpu大部分时间都在等待I/O的循环测试，所以cpu不能充分发挥其运算能力。,.,43,2.2输入/输出设备管理中断控制方式,中断控制方式要求CPU与设备之间有相应的中断请求线，并且在状态寄存器中有中断允许位。引入中断控制后，I/O设备完成相应的I/O操作准备后，自动的向cpu发出中断请求。Cpu在收到中断请求后有选择的进行相应的响应。,.,44,2.2输入/输出设备管理中断控制方式,中断控制工作过程：,I/O准备完成,向cpu申请中断，进行数据传输,Cpu进行中断判优,Cpu响应中断,Cpu执行中断程序,Cpu退出中断程序，回到原始程序,.,45,2.2输入/输出设备管理DMA方式,DMA方式中，添加了DMA控制器。DMA控制器的核心就是在外设和外设之间或者外设和内存之间有大量数据需要传输的时候，DMA控制器会先向CPU申请系统总线的控制权。若DMA控制器取得了总线控制权，则将会对数据的交换进行操作，而在这一段时间，CPU会继续进行运算。当数据传输完毕的时候，DMA控制器又将向CPU交出总线控制权。这样，就提高了CPU的利用率。,.,46,2.2输入/输出设备管理DMA方式,在DMA传输控制方式下，cpu只需要负责数据的传输方向，要传输数据的初始地址，以及要传输数据的长度。因此，这种方式极大的节约了cpu的运算效能。但DMA方式下，如果cpu需要临时使用总线，将会出现CPU和总线控制器竞争的局面。,.,47,2.2.4死锁,死锁的概念：当若干个进程互相竞争对方已经占有的资源，无限期的等待，不能向前推进时会造成“死锁”。死锁时系统的一种出错状态。产生死锁的必要条件：互斥条件、保持和等待条件、不剥夺条件、环路等待等。解决死锁的两种策略：一种是死锁发生前的预防和避免策略；另一种时死锁发生后采用的检测与恢复策略。,.,48,2.2.4死锁,解决死锁的方法：1、预防死锁法通过设置严格的限制条件来防止死锁发生.(第一个条件除外)2、回避死锁法在资源的动态分配中，采取某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁的发生。这种方法只需要添加较弱的限制条件，就能获得较高的资源利用率。3、检测与解除死锁法通过确定引发死锁的进程和资源，通过采取措施清除发生的死锁。,.,49,2.2.4磁盘调度磁盘工作原理,磁盘存储器常用术语,1磁道为了便于存取信息，盘面被划分为若干个同，L1圆，每个同心圆称为一个磁道，简称为一道。磁道的编址是由外向内编号，最外一个同心圆叫0道，依次向内为l、2n道。2扇区每个磁通被划分为若干个区域，每个区域称为扇区或扇段，同时给每个扇区以编号，0号扇区、1号扇区m号扇区等。3柱面对盘组来讲，每个磁盘表面都有磁道和扇区，因此在各层记录面上相同道号的同心圆的集合构成一个圆柱，称为柱面。,.,50,2.2.4磁盘调度磁盘调度算法,访问磁盘的时间由三部分构成：寻道时间、等待时间、数据传输时间。其中，寻道时间是决定因素。常见磁盘调度算法有：1、先来先服务（FCFS）：按照先来后到的次序来，未作优化。2、最短查找时间优先（SSTF）：查找距离磁头最短的请求座位下一次服务的对象。该模式有高度局部化的倾向，会推迟一些请求的服务，甚至引起无限拖延。（又称饥饿）3、扫描法(SCAN)：又称电梯算法。SCAN算法是磁头前进方向上的最短查找时间优先算法。SCAN算法很大程度上消除了SSTF算法的不公平性，但是仍然有利于中间磁道的请求。,.,51,2.3存储管理,2.3.1存储管理概述2.3.2覆盖与交换技术2.3.3分页技术2.3.4分段技术2.3.5虚拟存储技术2.3.6页面替换算法,.,52,2.3.1存储管理概述,存储管理是对存储“空间”的管理，主要指对内存的管理。1、存储管理的功能（1）存储分配：重点是研究存储器分配给多个用户使用和各种分配算法。（2）地址重定位：研究各种地址变换机构以及静态和动态重定方法。（3）存储保护：研究保护各类程序、数据区的方法。（4）存储扩充：主要研究虚拟存储器和各种调度算法。总结：存储管理主要是负责对内存的分配和回收、内存的保护和内存的扩充。存储管理的目的是尽量提高内存的使用效率。,.,53,2.3.1存储管理概述基本概念,（1）地址空间和存储空间在编辑源程序时，总是用符号名代表所访问的内存单元，我们称其为名空间。源程序经过编译所产生的目标程序是一种相对地址的编址形式，即地址总是以0开始编址的。相对地址也称为逻辑地址。相对地址编址的程序是无法运行的，当这个程序要投入运行时，还需要链接装配程序或地址变换机构将其相对地址变换成能够在内存投入运行的物理地址（也称为绝对地址）。我们将相对地址的集合称为地址空间，而将物理地址的集合称为存储空间。,.,54,2.3.1存储管理概述基本概念,（2）地址重定位把程序中使用的逻辑地址变换成内存空间中的物理地址过程称为地址变换或地址映射，也称为地址重定位。地址重定位的两种方式：静态重定位：在程序装入内存的时候由专门的链接装配程序一次性完成的重定位。优点是无需硬件支持、实现容易。动态重定位：通过硬件地址变换机构来实现并在程序执行过程中进行重定位。,.,55,2.3.2交换与覆盖技术,覆盖和交换技术是在多道程序环境下用来扩充内存的两种方法。覆盖技术主要用在早期的操作系统中，而交换技术则在现代操作系统中得到了进一步发展。覆盖技术：解决小内存运行大作业。一个作业中若干程序段和数据段可以不同时使用，这样他们就可以共享某个区域。这个共享的区域就称为覆盖区。交换技术：将暂时不需要的作业移到外存，让出内存空间以调入其他作业，交换到外存的作业也可以被再次调入。交换技术和覆盖技术相比，不要求给出程序段之间的覆盖结构。交换主要是在作业之间进行的，而覆盖则主要是在同一个作业内进行。,.,56,2.3.3分页技术页式存储管理,分页的基本思想是把程序的逻辑空间和内存的物理空间按照同样的大小划分成若干页面，以页面为单位进行分配。分页技术虽然解决了内存中的碎片问题，但它要求将作业的所有页面一次性调入主存。当主存空间不足或作业太大时，就会限制一些注意进入主存运行。,.,57,2.3.3分页技术请求页式存储管理,请求页式存储管理和页式存储管理基本一样。两者的区别在与，在作业运行前，请求页式存储管理不需要把作业的整个地址空间全部装入主存，而只要将作业的一部分页面装入主存即可运行。请求页式存储管理是实现虚拟存储器的具体方案。,.,58,2.3.4分段技术,分段技术的思想是根据程序的逻辑结构将其分解为若干独立的段，每一个段占据一个连续的存储区域，但各段之间不必连续。,.,59,2.3.5虚拟存储器技术技术基础,虚拟存储器技术基础局部性原理。1、程序局部性原理程序局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅限于程序的某一部分，相应的，执行所访问的存储空间也限于某个内存区域。局部性原理分为时间局部性和空间局部性。时间局部性是指若程序中的某条指令或数据一旦执行，则不久以后该指令可能再次执行。空间局部性是指若一旦程序访问了某个存储单元，则在不久以后，其附近的存储单元也将被访问。,.,60,2.3.5虚拟存储器技术,基于程序局部性原理，一个作业在运行之前没有必要全部装入内存，而仅将当前要运行的那部分页面或段先装入内存就可以启动运行，企业部分则放在外存。当所访问的信息不再内存时，再由系统将所需要的那部分内容调入内存。从效果上看，计算机系统好像为用户提供了一个容量比实际内存大得多的存储器，这个存储器被称为虚拟存储器。,.,61,2.3.5虚拟存储器技术,虚拟存储器技术的主要特点：1、离散性：内存分配时采用离散分配方式。2、多次性：一个作业运行时分成多次调入内存。3、对换性4、虚拟性,.,62,2.3.5虚拟存储器技术实现基础,虚拟存储器的实现需要有一定的物质基础：1、要有大容量的外存2、要有一定容量的内存3、要有地址变换机构，实现虚拟地址和实地址的变换,.,63,2.3.6页面置换算法,如果选择的