操作系统-进程之间的并发控制和死锁

1,操作系统课件,OperatingSystem(OS)（48学时）,共56页,第2页,操作系统教材与参考书,操作系统原理教程，张丽芬，电子工业出版社操作系统概念高教版深入理解Linux内核，陈莉君等译，中国电力出版社WindowsInternals，深入解析Windows操作系统潘爱民译，电子工业出版社Windows内核原理与实现，潘爱民，电子工业出版社,WINDOWS操作系统是由美国微软公司开发的窗口化操作系统，如Windows10UNIX操作系统1969年诞生于贝尔实验室，有很多种，如AT&T的UnixV、Sun的Solaris、HP的UnixMAC操作系统是美国苹果公司为自己设计的操作系统Linux操作系统是目前全球最大的一个自由免费软件，其功能可与Unix和Windows相媲美，用法与Unix类似,第3页,第4页,第1章操作系统概论,1.1操作系统的定义1.2操作系统的形成与发展1.3操作系统功能、服务和特性1.4操作系统的进一步发展1.5用户与操作系统接口1.6操作系统的运行环境1.7操作系统的设计规范和结构设计,第5页,1.1操作系统的定义,计算机系统从下到上划分为四个层次。单向调用关系：外层的软件必须以事先约定的方式调用内层软件或硬件提供的服务。称这种约定为接口。,计算机系统的组成,第6页,操作系统内核（Ntoskrnl.exe),核心态,用户态,系统进程,用户进程,Windows子系统进程Csrss.exe,Win32K.sys,执行体,内核,NTFS.sys,第7页,操作系统的定义,OS是由一系列程序模块组成的一个大程序。依据各种管理和调度策略，对计算机的软、硬件资源进行统一的管理和调度，合理地组织计算机的工作流程，以提高资源的利用率。操作系统只包含操作系统内核。如Windows系统的Ntoskrnl.exe。下载Linux内核,第8页,操作系统的设计目标,方便性：方便用户使用计算机。用户通过操作系统来使用计算机。有效性：使计算机系统能高效可靠地运转，提高系统资源的利用率。还要便于操作系统的设计、实现和维护。,第9页,1.2操作系统的形成与发展,1.2.1顺序处理(手工操作阶段)1.2.2简单的批处理系统1.2.3多道成批处理系统1.2.4分时系统1.2.5实时系统1.2.6嵌入式系统,第10页,1.2.1顺序处理(手工操作),20世纪40年代50年代中期计算机：CPU、主存、卡片输入机、打印机、带有显示灯和开关的操作控制台。没有操作系统。程序员直接操作计算机硬件，调度作业运行。作业步：编写程序、编译程序、链接装配程序、装入可执行程序。,第11页,1.2.2简单的批处理系统,20世纪50年代后期60年代中期有一个监控程序软件常驻内存（主存）操作员将多个作业按序成批地放在一个输入设备上。监控程序自动控制输入设备一次装入一道作业，并启动运行。（单道批处理）早期联机批处理、脱机批处理P4,第12页,随着硬件通道、中断、缓冲技术等的出现，使得计算机在组织结构上发生了重大变革。使原先以CPU为中心的体系结构，转变为以主存为中心。使多道程序设计技术成为可能。引入多道程序设计技术的根本目的是提高CPU的利用率。,1.2.3多道成批处理系统,第13页,通道：独立于CPU，专门用来控制输入/输出设备的I/O处理机，比CPU便宜。连接着主存和外设。使CPU和外设并行操作。中断：当I/O设备完成传输后，通过中断机构向CPU报告完成情况。缓冲技术：在主存设置缓冲区，来缓存用户的输入和输出，改善I/O设备和CPU之间速度不匹配的问题。,第14页,多道程序设计：是指在主存同时存放多个作业，使之同时处于运行状态，共享系统中的各种资源。在单CPU系统中。宏观上，各个作业都已开始运行，但都未运行完；微观上，各个作业是串行执行的，在任何特定时刻，只有一个作业在处理机上运行。,第15页,资源利用率：指在给定时间内，系统中某一资源（如CPU、存储器、外部设备等）实际使用时间所占比率。吞吐量(Throughput)：指单位时间内系统所处理的信息量。通常以每小时或每天所处理的作业个数来度量。周转时间：指从作业进入系统到作业退出系统所用的时间。,衡量批处理系统的性能指标,第16页,作业编号JOB1JOB2JOB3作业类型计算型I/O型I/O型占用主存50k100k80k需磁盘情况NONOYes需终端情况NOYesNO需打印机情况NONOYes运行所需时间5分钟15分钟10分钟,例设一个计算机系统有256K主存，一个磁盘、一个终端和一台打印机。三个作业：JOB1、JOB2、JOB3。,第17页,单道批处理作业1运行5分钟；作业2等待5分钟运行15分钟；作业3等待20分钟运行10分钟。,多道批处理三个作业同时装入主存，由于几乎不同时使用同类资源，在15分钟内将全部完成。,第18页,表1.2单道批处理与多道批处理对比单道多道(3道)处理机利用率5/30=17%5/15=33%存储器利用率30%平均230/256=90%磁盘利用率33%=10/3067%=10/15打印机利用率33%67%完成所需时间30分钟15分钟吞吐量6jobs/小时12jobs/小时平均周转时间18分钟10分钟,第19页,批处理系统特点,优点:系统吞吐量大，资源利用率高。适合计算量大、自动化程度高的成熟作业。缺点:用户与作业无法交互，作业平均周转时间较长。,第20页,1.2.4分时系统,工作方式：一台主机连接有若干个终端。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受命令，采用时间片轮转方式处理请求，并在终端上显示结果。如在大型数据库上的查询。分时：多用户分时使用CPU。将CPU的单位时间(如1秒钟)划分成若干个时间片。,第21页,分时系统的特点,同时性：若干用户同时使用一台计算机。独立性：每个用户占有一台终端，独立操作，感觉不到别的用户存在。交互性：用户可通过终端与系统进行人机对话。及时性：用户的请求能在较短时间内得到响应。（响应时间：从用户发出请求到系统开始响应所需的时间）。,第22页,1.2.5实时系统,是指计算机能对随机发生的外部事件做出及时的响应和处理。是一个专用系统。不以作业为处理对象，只有几个由外部事件触发的任务。实时过程控制：工业生产中的自动控制，飞机导航、导弹发射等。实时信息处理：民航机票的预订、查询，银行系统的借贷，情报信息检索等系统。,第23页,实时系统特点,（1）实时性。其响应时间由被控制对象所能承受的延迟来确定。（2）可靠性。要具有容错能力，可采用双工机制：一台主机；一台后备机。（3）确定性。是指系统按照固定的、预先确定的时间执行指定的操作。,第24页,1.2.6嵌入式系统,以实际应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的专用计算机系统。软件要求固化存储。通常是一个多任务可抢占式的实时操作系统，只有满足实际需要的有限功能，如任务调度、同步与通信、主存管理、时钟管理等。嵌入式Linux，WindowsCE。,第25页,1.3功能、服务和特性,三种基本类型：批处理系统；分时系统；实时系统。通用操作系统：兼有批处理、分时和实时三者或其中两者的功能。如分时和批处理相结合，将分时任务作为前台任务，将批处理作业作为后台任务，便是分时批处理系统。,第26页,操作系统的功能,(1)处理机管理：进程管理。处理机如何调度的问题：FCFS、优先级、时间片轮转？(2)存储器管理：主存管理。存储分配、存储保护、主存扩充。(3)设备管理：涉及对系统中各种输入、输出设备的管理和控制。分配设备，控制设备传输数据。(4)文件管理：将程序、数据、操作系统软件等组织成文件，存放在磁盘或磁带上，方便用户访问。,第27页,为了管理系统资源，操作系统必须掌握系统资源的当前状态信息。进程-进程表存储器-存储表I/O设备-I/O设备表文件-文件表,第28页,操作系统提供的服务,用户接口：用户通过OS来使用计算机程序执行：装入内存执行，结束执行I/O操作：可能涉及到文件或I/O设备文件系统操作：向用户提供按名存取文件通信服务：进程之间（共享内存/消息传递）错误检测和处理：能检测和处理错误资源分配：多进程并发，资源共享记帐：统计用户对系统资源的使用情况保护：控制用户有限制地存取系统资源,第29页,操作系统的特性,(1)并发性：是为了提高计算机的处理能力而采用的一种时间上重叠操作的技术。是指系统中存在着若干个逻辑上相互独立的程序，都已被启动执行，都还没有执行完，竞争系统资源。(2)共享性：是指系统中的资源可供系统中多个并发执行的进程共同使用。如打印机、磁带机、磁盘等。支持系统并发性的物质基础是资源共享,第30页,操作系统的特性,(3)虚拟性：把共享资源的一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。如，CPU的分时共享；虚拟存储器技术。(4)异步性（随机性）：有限的资源共享使并发进程之间产生相互制约关系。各个进程何时执行、何时暂停、以怎样的速度向前推进、什么时候完成等都是不可预知的。,第31页,1.4操作系统的进一步发展,个人计算机操作系统多处理机操作系统网络操作系统分布式操作系统,第32页,个人计算机操作系统,单用户单任务OS：只允许一个用户上机、只允许用户程序作为一个任务运行。如MS-DOS。单用户多任务OS：只允许一个用户上机，但允许用户有多个任务，并发执行。如Windows多用户多任务OS：允许多个用户通过各自的终端，使用同一台主机，共享系统资源，每个用户又可有多个任务，并发执行。如UNIX、Linux。,第33页,多处理机操作系统,多处理机采用紧耦合方式进行连接，共享主存非对称多处理(ASMP)：主处理机运行操作系统，其他处理机运行用户作业，主处理机为其他处理机分配和调度任务，主从模式。对称多处理(SMP)：操作系统和用户程序可安排在任何一个处理机上运行，各处理机共享主存和各种I/O设备。,第34页,网络中的各台计算机都配有各自独立的操作系统，网络操作系统把它们联系起来，并为它们提供通信和网络资源共享。Windows的自上而下的网络栈：网络应用程序、网络API、网络API驱动程序netbios.sys、协议驱动程序tcpip.sys等。与I/O系统和标准API紧密地集成在一起。,网络操作系统,第35页,网络操作系统的模式：客户/服务器（Client/Server)模式。服务器是一个瓶颈。对等模式（Peer-to-peer)：系统内的节点机（nodes）是对等的，既可作为客户机，又可作为服务器。在网络中既无服务处理中心，也无控制中心。,第36页,分布式操作系统,分布式系统：是由多个分散的计算机通过网络连接而成的一个统一的计算机系统。可以获得极高的运算能力和广泛的数据共享。要求连网的多机有一个统一的操作系统没有标准协议。完全分布式系统仍在研究中。,第37页,机群(cluster)是一种分布式系统。机群节点私有OS。有一层软件运行在机群节点之上。,单一入口点,节点机,节点机,节点机,站点服务器,第38页,智能卡操作系统,智能卡中隐藏着一个微型操作系统。智能卡中的集成电路包括：中央处理机、存储部件、对外联络的通信接口。智能卡实际上是一台单片机系统。有非常严格的运行能耗和存储空间的限制（从几KB到几百KB)。,第39页,一种智能卡结构,读写器发操作命令，智能卡接收命令。操作系统解释命令，并调用程序处理数据，产生应答信息送读写器。,第40页,1.5用户与操作系统接口,操作接口：命令语言或窗口界面是用户使用计算机系统的主要接口。编程接口：系统调用是用户与操作系统之间的编程接口。,第41页,命令语言,操作系统提供一个命令解释程序来支持命令语言的解释执行。执行用户当前输入的命令。用户态。Linux的1号进程为每个终端用户建立一个运行shell命令解释程序的终端进程，该进程不断地处理用户发来的命令。,第42页,窗口界面,系统初始化时，Windows为终端用户生成了一个运行Explorer.exe程序的进程，它是一个具有窗口界面的解释程序，打开一个桌面窗口。当点击桌面内的某个实用程序时，解释程序就会产生一个新进程。,第43页,系统调用,操作系统内核向用户提供了一组系统调用接口。用户通过系统调用接口，运行系统内核里的一些子程序。Windows系统提供的Win32API函数集合，是一些库函数，由库函数去调用系统调用。文档化，易使用。,第44页,系统调用的执行过程,用户程序系统调用命令,操作系统内核,系统调用命令程序子程序子程序,切换到用户态,切换到核心态,第45页,核心态/用户态,在计算机中存在两类性质不同的程序：操作系统内核程序；用户程序。前者是后者的管理者和控制者，所以前者应享有某些特权。为此将CPU的运行状态分为核心态（管态）和用户态（目态）。处理机状态字（PSW）中有2个执行方式位。00为核心态，11为用户态。,第46页,在核心态下，允许执行处理机的全部指令集，访问所有的寄存器和存储区；在用户态下，只允许执行处理机的非特权指令，访问指定的寄存器和存储区。用户态到核心态的转换由硬件完成；核心态到用户态的转换由内核程序执行后完成。操作系统的大部分功能模块运行在核心态，有些功能模块通过创建用户级进程运行在用户态，例如，Windows子系统进程Csrss.exe，为用户提供窗口界面。,第47页,操作系统内核（Ntoskrnl.exe),核心态,用户态,系统进程,用户进程,Windows子系统进程Csrss.exe,Win32K.sys,执行体,内核,NTFS.sys,第48页,1.6操作系统的运行环境,通过中断和异常，CPU能从用户程序的运行转入操作系统内核程序的运行。中断：异步事件。中断是一个重要的并发性来源。内核代码可以触发一个软件中断来启动线程调度，相当于打断了当前线程的执行，让处理机切换到其他的线程。不同中断有不同优先级。处理高级中断时会临时屏蔽低级中断。处理机优先级：指处理机当前正运行程序的中断响应级别。,第49页,异常：同步事件。是程序自己产生的特殊事件。不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。异常：程序的非法操作码、地址越界、除数为0、存储器管理中的页