操作系统第一章(补充书本没有内容)

1、1.1 操作系统的目标和作用三、操作系统(operating system)定义 2.人工操作方式的特点缺点缺点: : CPUCPU等待用户，等待用户，CPUCPU利用率低；利用率低； 用户独占全机，资源效率低用户独占全机，资源效率低 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码，工作每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码，工作量大，难度高，易出错量大，难度高，易出错3.单道批处理的主要问题 CPU和和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性）。业的特性）。 对计算为主的作业，外设空闲；对计算为主的作业，外设空闲； 对对I/O为主的作业，为主的作业，CPU空闲；空闲

2、；1.2.3 多道批处理系统 （60年代中年代中 70年代中（集成电路）年代中（集成电路）1.多道批处理的运行特征 多道：内存中同时存放几个作业； 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完； 微观上串行运行：各作业交替使用CPU；【多道程序设计原理】：【多道程序设计原理】：在计算机内存中同时存放几道在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地相互独立的程序，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行，运行，共享共享CPU和外设等资源和外设等资源。采用多道程序设计技术采用多道程序设计技术的批处理系统称为多道批处理系统的批处理系统称为多道批处理系统。 2.多道批处理系统

3、的特点 多道多道： 多道指某个作业占用CPU，若由于某种原因暂时不用CPU 则系统让第二个作业占用CPU 无序性无序性 调度性调度性 作业调度作业调度进程调度进程调度 4.多道批处理系统的优缺点 优点：优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：缺点：用户交互性差：批处理系统的主要问题与用户不能交互。用户一旦把他的作业提交给系统后，便失去了对自己作业的控制和修改能力，不利于调试和修改；所以，批处理系统一般用于运行常规调试好的程序，如每天的计算机系统统计、分析程序等。作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；适合大型科学计算、数据处理。适合大型

4、科学计算、数据处理。 3.多道批处理系统的资源利用3.多道批处理系统的资源利用1.2.4 分时系统 时间片时间片 ：是把计算机的系统资源（尤其是：是把计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行时间上时间）进行时间上 的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮 流使用时间片。流使用时间片。分时技术分时技术：把处理机的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流：把处理机的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流 把处理机分给各联机作业使用。把处理机分给各联机作业使用。 分时操作系统分时操作系统：是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用：是一种联机

5、的多用户交互式的操作系统。一般采用 时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务。时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务。 对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互 会话能力。会话能力。 设计目标设计目标：适应用户人机交互需要而出现的：适应用户人机交互需要而出现的,实现对用户的请求及时响应实现对用户的请求及时响应 ，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。 如何实现如何实现:主要采用时钟和中断技术。系统配置多路卡及时接受各终端输主要采用时钟和中断技术。系统配置多路卡及时接受各终端输 入命令和数据。入命令

6、和数据。应用范围应用范围：适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。：适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。 6.影响响应时间的因素 终端数目多少终端数目多少 调度算法（时间片的选取）调度算法（时间片的选取） 信息交换量和信息交换速度信息交换量和信息交换速度 机器处理能力机器处理能力 请求服务的时间长短及服务请求的分布请求服务的时间长短及服务请求的分布 1.2.5 实时系统 “实时实时”，是表示，是表示“及时及时”，而实时系统，而实时系统(Real-Time System)(Real-Time System)是指系统能及时响应外是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的

7、时间内完成对该事部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。运行。 特点：及时性要求高，系统可靠性高特点：及时性要求高，系统可靠性高, ,但但 交互作用能力较差交互作用能力较差 。 2. 实时操作系统主要追求目标 对外部请求在严格时间范围内作出反应对外部请求在严格时间范围内作出反应 高可靠性高可靠性 安全性安全性 完整性完整性实时系统必须和先进的技术装备相结合实时系统必须和先进的技术装备相结合3.分时系统与实时系统的比较 1）系统的设计目标不同。分时系统是提供一种随时可供多个用户使用的通用型很强的操作系统，而实时操作系

8、统大多数是具有特殊用途的专用系统。 2）互性的强弱。分时具有较强的对话与交互能力，而实时系统交互性很弱。 3）响应时间的长短。分时只要能满足一般用户能接收的等待时间即可，而实时系统的相应时间要求严格。 4）分时系统控制听主动权在计算机，计算机按一定时间间隔，以固定时间片或不固定时间片去轮流完成多个提交的任务。而实时系统控制的主动权在用户，用户规定什么时间要计算机干什么。构造层次结构构造层次结构OS分层原则分层原则 1）把与机器硬件有关的程序模块放在最底层）把与机器硬件有关的程序模块放在最底层 2 2）反映系统外特性的软件放在最外层）反映系统外特性的软件放在最外层 3 3）为进程的正常运行创造环

9、境和提供条件的为进程的正常运行创造环境和提供条件的内核程序应该内核程序应该 尽可能放在底层尽可能放在底层。 4）按照实现操作系统命令时模块间的按照实现操作系统命令时模块间的调用次序调用次序或按进程间或按进程间 单向单向发送信息的顺序发送信息的顺序来分层来分层3. 层次式结构的操作系统层次式结构的操作系统16 操作系统的结构操作系统的结构 现代操作系统从内部结构分，通常包含两部分：现代操作系统从内部结构分，通常包含两部分：一一是内核是内核；二是核外部分二是核外部分，其通常是一些实用程序。，其通常是一些实用程序。1 1、操作系统的内核：操作系统内核是计算机硬件的第一、操作系统的内核：操作系统内核是

10、计算机硬件的第一次扩充，内核执行操作系统与硬件关系密切、执行频率次扩充，内核执行操作系统与硬件关系密切、执行频率高的模块，常驻内存。高的模块，常驻内存。 1 1）内核在操作系统中的地位：）内核在操作系统中的地位： OSOS内核是对硬件的首次扩充，是实现操作系统各项功内核是对硬件的首次扩充，是实现操作系统各项功能的基础。（能的基础。（UNIXUNIX为例）。为例）。一、支撑功能，包括中断处理、时钟管理、原语操作；一、支撑功能，包括中断处理、时钟管理、原语操作； 二、资源管理功能，包括进程管理、存储器管理、设备管二、资源管理功能，包括进程管理、存储器管理、设备管理。理。内核的执行特点由中断驱动的由

11、中断驱动的: : 中断中断内核内核退出退出内核执行是连续的内核执行是连续的内核执行过程中在中断屏蔽状态下内核执行过程中在中断屏蔽状态下内核使用特权指令内核使用特权指令3. 进程的特征 动态性：进程的实质是程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的，进程在其生命周期内，在三种基本状态之间转换 并发性：内存中同时有多个进程，各进程并发执行。 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位； 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进 结构特征：为了控制和管理进程，系统为每个进程设立一个进程控制块 PCB。2）进

12、程状态转换条件 在进程运行过程中，由于自身进展情况及外界环境的变化，这三种基本状态可以依据一定的条件相互转换： 就绪 - 运行调度程序选择一个新的进程运行 运行 - 就绪运行进程用完了时间片运行进程被中断，因为一高优先级进程处于就绪状态进程状态转换条件（续） 运行 - 阻塞当一进程必须等待时 OS尚未完成服务 对一资源的访问尚不能进行 初始化I/O 且必须等待结果 等待某一进程提供输入 进程在运行中出故障（程序错，内存校验错） 阻塞 - 就绪当所等待的事件发生时故障排除6、细分的进程调度状态挂起状态： 由于终端用户及操作系统的需要(排除故障或为系统减负)，为了能够将指定进程暂时静止下来，增加了

13、静止阻塞 (阻塞挂起) 和静止就绪 （就绪挂起)态，原阻塞和就绪改称为活动阻塞和活动就绪状态。运行或活动就绪静止就绪，活动阻塞静止阻塞 通过挂起操作(suspend)。静止就绪活动就绪, 静止阻塞活动阻塞 通过激活操作(activate)。静止阻塞静止就绪: 当等待的事件发生时。2.1.4 进程的特征与状态2. 转换挂起（挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存；可能有以下几种情况： 阻塞到阻塞挂起阻塞到阻塞挂起：没有进程处于就绪状态就绪状态或就绪进程要求更多内存资源时，会进行这种转换，以提交新进程或运行就绪进程； 就绪到就绪挂起：就绪到就绪挂起：当有高优先级阻塞高优先级阻塞（系统认为

14、会很快就绪的）进程和低优先级就绪进程时，系统会选择挂起低优先级就绪进程； 运行到就绪挂起运行到就绪挂起：对抢先式抢先式分时系统，当有高优先级高优先级阻塞挂起进程因事件出现而进入就绪挂起时，系统可能会把运行进程转到就绪挂起状态；激活（激活（Activate）：把一个进程从外存转到内存；可能有以下几种情况： 就绪挂起到就绪就绪挂起到就绪：没有就绪进程没有就绪进程或挂起就绪进程优先级挂起就绪进程优先级高于就绪进程时，会进行这种转换； 阻塞挂起到阻塞阻塞挂起到阻塞：当一个进程释放足够内存释放足够内存时，系统会把一个高优先级阻塞挂起（系统认为会很快出现所等待的事件）进程；信号量的使用： 必须置一次且只能

15、置一次初值 初值不能为负数 只能执行P、V操作一、进程互斥 临界资源:一次仅供一个进程使用的资源。硬资源，如打印机，磁带机软资源，内存里的数据结构 在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区 多个进程的临界区称为相关临界区 设s为一个整型量，P和V操作原语定义： P(s)：while s0 do null operation s：=s-1； V(s)： s：=s+1；1）.整型信号量1. 信号量定义信号量：信号量：除初始化外，除初始化外，仅仅能通过同步原语（能通过同步原语（P、V操作）访操作）访问的问的整型整型变量。变量。信号量说明： semaphore s; P.V操作讨论1) 信号量的物理含义

16、： S0表示有S个资源可用 S=0表示无资源可用 S0则| S |表示S等待队列中的进程个数 P(S):表示申请一个资源 V(S)表示释放一个资源。信号量的初值应该大于等于02) P.V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作 当为互斥操作时，它们同处于同一进程 当为同步操作时，则不在同一进程中出现 如果P(S1)和P(S2)两个操作在一起，那么P操作的顺序至 关重要,一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时同步P操作在互斥P操作前 而两个V操作无关紧要司机启动车辆的动作必须于售票员关车门的动作取司机启动车辆的动作必须于售票员关车门的动作取得同步，售票员开车门的动作也必须与司机停车取得同

17、步，售票员开车门的动作也必须与司机停车取得同步。得同步。问：问： 汽车行进中汽车行进中售票员能开售票员能开门吗？门吗？1. 乘客上下车乘客上下车时司机能开时司机能开车吗？车吗？u设信号量设信号量:uS1：是否允许司机启动汽车，初值为是否允许司机启动汽车，初值为0uS2：是否允许售票员开门，初值为是否允许售票员开门，初值为0Driver()While (1)P(S1);启动汽车启动汽车;正常行车；正常行车；到站停车；到站停车；V(S2);Busman()While (1)关车门关车门;V(S1)；售票售票P(S2)；开车门；开车门；上下乘客；上下乘客；Int s1=0;Int s2=0;Main

18、Cobegin Driver(); Busman();Coend用前趋图来描述诸进程合作完成某一任务的次序。1、说明进程的同步关系、说明进程的同步关系 进程进程P1、P2可并行执行，可并行执行，P3的执行的执行必须等待必须等待P1、P2都完成后才能开始都完成后才能开始执行。执行。2、设置信号灯，说明含义、初值。、设置信号灯，说明含义、初值。 s13 = 0 表示进程表示进程P1尚未执行完成尚未执行完成 s23 = 0 表示进程表示进程P2尚未执行完成尚未执行完成P1( ) ; v(s13); P2( ) ; v(s23); P3( ) p(s13); p(s23); .;3、写出程序描述、写出

19、程序描述桌上有个只能盛得下一个水果的空盘子。爸爸可向盘中放苹果或桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定：当盘子空时，一次只能放入一个水果供吃者取用。试用信号量和P、V操作实现爸爸、儿子和女儿这三个循环进程之间的同步。 v本题属于生产者本题属于生产者消费者问题的变形，相当于一个能消费者问题的变形，相当于一个能生产两种产品的生产者（爸爸）向两个消费者（儿子和女生产两种产品的生产者（爸爸）向两个消费者（儿子和女儿）提供产品的同步问题。因此，可参考生产者与消费者儿）提供产品的同步问题。因此，可参考生产者与消费者问题的解法。问题的解法。 解答：所用信号量设置如下：）同步信号量empty，初值为1，表示盘子是空的，即儿子或女儿已把盘中的水果取走。 ）同步信号量orange，初值为0，表示爸爸尚未把桔子放入盘中。