第三讲作业管理和存储管理

第二部分操作系统处理机管理作业管理存储管理设备管理文件管理习题作业的概念作业的概念一个作业就是用户请求计算机系统执行的一次独立的上机任务，是能共享公用资源区域的一族有关进程（进程家族）作业步：完成作业的每个步骤，进程执行的结果作业流：批处理系统中的一批作业作业控制块一个作业由作业控制块JCB（JobControlBlock）来描述JCB是记录类型的数据结构，用于记录作业的有关信息，包括：作业名、优先级、作业建立时间、作业状态等JCB和作业之间具有一一对应的关系作业状态及其转换作业状态进入状态后备状态运行状态完成状态作业状态及其转换过程作业和进程作业和进程的区别和联系进程是计算机系统的基本工作单位，而作业则是用户请求系统服务的最大单位。与进程一样，作业也有从提交到完成的生命期。作业管理就是对其生命历程进行宏观控制，具体任务是对作业的控制和调度；进程管理是通过原语实现，对用户是不透明的。作业管理方式联机控制方式——分时系统一般采用命令驱动方式菜单驱动方式窗口环境脱机控制方式——批处理系统一般采用JCL作业调度作业从提交到执行需经过多级调度，进程调度是CPU的低级调度，作业调度是高级调度（宏调度），关键是调度算法。作业调度功能：按照某种调度算法，从作业后备队伍中挑选一批合理搭配的任务，实现作业从后备状态到运行状态，同时分配相关系统资源，建立相关进程。作业结束，回收资源。作业调度算法三个基本目标：尽量提高系统作业的吞吐量；尽量使CPU和外设处于“忙”状态；对所有作业的服务公平合理。作业调度算法先来先服务算法(FCFS)最高优先级算法(HPS)最短作业优先算法(SF)最高响应时间算法(HRN)资源搭配法第二部分操作系统处理机管理作业管理存储管理设备管理文件管理习题3存储管理3.1存储管理的功能3.2分区存储管理3.3虚拟存储器管理3.1存储管理的功能存储管理的目的是尽可能方便用户和提高主存储器的效率。存储管理有以下几方面的功能：内存分配和回收内存空间的共享存储保护地址映射内存空间的扩充（虚拟存储）内存分配和回回收内存空间分配配是多道程序序共享的基础础，当作业或或进程要求使使用内存资源源时，系统根根据内存资源源的当前状态态，按照分配配策略，为申申请者分配足足够的空闲区区域，若无法法满足申请者者的要求，则则让其处于等等待内存资源源的状态，直直到有足够的的内存空间时时再分配给它它。内存分配和回回收内存分配的功功能涉及到以以下问题：管理内存分配配表（分配情情况、空闲情情况、其他））制定分配策略略：放置策略略（选择空闲闲区域的原则则）、调入策策略（请调和和预调）、淘淘汰策略）内存区域的划划分方式（大大小不等和大大小相等的块块）当作业或进程程因完成或阻阻塞而主动或或被动地释放放内存资源时时，存储管理理应执行一系系列操作回收收所释放的内内存空间，使使它们成为有有可供分配的的空闲区域。。内存空间的共共享共享主存资源源多道程序系统统中，若干个个程序同时进进入内存，各各自占有一定定数量的存储储空间，实现现多道程序的的并发执行。。共享内存的某某些区域的信信息将若干公用的的子程序、编编译程序及数数据等放在某某个内存区域域中，各道程程序在执行时时都可以访问问。存储保护在内存中不仅仅存放有操作作系统本身的的程序和应用用程序，还有有用户作业的的程序。为了避免内存存中的程序相相互干扰，必必须对内存中中各程序、数数据或信息区区进行保护。。存储保护通过过软件和硬件件配合实现。。包括：越界保保护、存取控控制保护。地址映射地址空间与存存储空间相对地址即首地址为零零，其他指令令中的地址都都是相对首地地址而定。目标程序所限限定的逻辑地地址的总体称称为地址空间或逻辑空间。逻辑空间不是是实际的物理理存储空间，，逻辑地址也也不是内存中中的物理地址址，在内存中中不能用存取取信息，只有有物理地址才才是内存中逻逻辑地址存储储单元的实际际地址，是可可识别的。物理地址的全全体称为存储空间或实地址空间。。地址映射地址映射在多道程序系系统中程序装装入内存前通通常为逻辑地址，为保证程序序的执行，操操作系统需要要为它分配一一个合适的存存储空间，并并将程序执行行时要访问的的地址空间中中的逻辑地址址转换成内存存空间中相应应的物理地址。这种地址的变变换过程称为为地址映射或重定位。地址映射重定位可以分为两种种：静态重定位——也称静态地址址映射，是在在用户程序运运行前，在程程序装入内存存的过程中一一次完成从逻逻辑地址到物物理地址的转转换，且在程程序运行过程程中地址不再再改变。动态重定位——也称动态地址址映射，动态态重定位的时时间发生在程程序执行过程程中，在访问问指令或数据据时，才进行行地址变换，，把逻辑地址址转换为物理理地址。见图2.23地址映射静态重定位是是在程序运行行之前由编译译、连接、装装配程序一次次完成。地址址映射方法是是将程序中的的所有逻辑地地址，包括指指令本身地址址和操作数的的地址逐个变变换成物理地地址。一般地，静态态重定位由连连接装配程序序完成；动态态重定位由硬硬件提供的地地址映射机构构再加上软件件的配合来实实现。内存空间的扩扩充——虚拟存储内存、外存各各自的特点内外存的结合合——虚拟存储器基本思想——把当前正在使使用的部分保保留在内存中中，其他暂时时不用的部分分放在外存，，运行时根据据需要由操作作系统把保存存在外存的部部分调入内存存虚存——逻辑上的概念念；容量只与与CPU的地址结构有有关以时间换取空空间3存储管理3.1存储管理的功功能3.2分区存储管理理3.3虚拟存储器管管理3.2分区存储管理理分区区存存储储管管理理是是实实现现多多道道程程序序的的内内存存储储器器管管理理最最简简单单的的存存储储管管理理方方案案。。基本本思思想想是是：：把内内存存划划分分为为若若干干个个大大小小不不等等的的连连续续区区域域每个个作作业业可可占占有有一一个个或或多多个个分分区区按照照不不同同的的内内存存分分配配方方式式，，又又分分为为：：固定定分分区区可变变分分区区固定定分分区区(FixedPartitions)固定定分分区区法法是是将将内内存存区区划划分分为为若若干干个个大大小小相相等等或或不不等等的的区区域域。。分区区划划分分的的原原则则一一般般由由系系统统操操作作员员或或操操作作系系统统确确定定。。系统统设设置置一一张张内存存分分配配表表（（见见图图2.24），记记录录每每个个分分区区的的区区号号、、起起始始地地址址、、大大小小及及占占用用情情况况。。当作作业业申申请请内内存存资资源源时时，，系系统统为为该该作作业业选选择择一一个个或或多多个个大大小小适适当当的的分分区区，，并并将将其其装装入入内内存存运运行行。。固定定分分区区(FixedPartitions)固定定分分配配的的内内存存划划分分和和占占用用情情况况及及对对应应的的内内存存分分配配表表如如图图所所示示：：区号分区长度起始地址状态18K20K已分配232K28K已分配3132K124K未分配操作系统进程A1区空闲区进程B2区空闲区020K28K60K1区2区内存存分分配配表表内存存状状态态固定定分分区区(FixedPartitions)优点点：：分区区方方法法简简单单、、可可靠靠。。缺点点：：由于于固固定定分分区区的的大大小小是是预预先先确确定定的的，，当当用用户户作作业业的的地地址址空空间间小小于于分分区区大大小小时时，，会会产产生生许许多多不不可可使使用用的的存存储储碎碎片片，，即即“内零零头头”，造造成成存存储储区区间间的的浪浪费费。。可变变分分区区(VariablePartitions)为了了克克服服固固定定分分区区造造成成的的存存储储空空间间的的浪浪费费，，引引入入了了可可变变分分区区存存储储管管理理方方式式。。在存存储储分分配配的的过过程程中中按按作作业业的的大大小小来来划划分分分分区区，，使使分分区区大大小小可可以以随随作作业业对对内内存存的的要要求求而而改改变变。。分区区的的个个数数也也可可改改变变。。这就就改改变变了了固固定定分分区区中中那那种种即即使使是是小小作作业业也也可可能能占占据据大大分分区区的的情情况况，，从从而而提提高高了了内内存存的的利利用用率率。。内存存分分配配表表已分分配配分分区区表表未分分配配分分区区表表数据据结结构构存储储控控制制块块MCB(MemoryControlBlock)（区区号号、、起起始始地地址址、、长长度度、、状状态态））分配配区区控控制制块块AMCB(AllocationMCB)空闲闲区区控控制制块块FMCB(FreeMCB)可变变分分区区(VariablePartitions)当作作业业申申请请分分配配大大小小为为X(K)的存存储储空空间间时时，，系系统统在在未未分分配配分分区区表表中中查查看看内内存存是是否否有有足足够够的的空空闲闲区区域域。。若空闲区区比需要要的大，，则将其其分为两两部分，，并修改改两个分分配表的的信息。。一部分等等于作业业所需空空间大小小一部分则则为空闲闲区当回收一一个被作作业释放放的分区区时，要要将其与与邻接的的空闲区区合并为为一个大大的空闲闲区（见见图2.25）。优点：提提高了存存储空间间的利用用率。缺点：也也会产生生一些不不能利用用的小空空闲区(外零头)。解决办法法：拼接接、紧缩缩分区存储储管理的的分配策策略首次适应应算法FF(FirstFit)每次分配配时按地址大小从小小到大顺顺序查找找分区分分配表，，选择所所遇到的的第一个个足以满满足请求求容量的的内存空空闲区进进行分配配。最佳适应应算法BF(BestFit)每次分配配时按空间大小从小小到大顺顺序查找找分区分分配表，，找到第第一个能能满足要要求的最最小空闲闲区进行行分配。。最坏适应应算法WF(WorstFit)每次分配配时按空空间大小小从大到小小顺序查找找空闲区区分配表表，每次次分配时时总是挑挑选一个个最大的的空闲区区进行分分配，这这样该区区的剩余余空间可可能用来来装入新新的信息息。3存储管理理3.1存储管理理的功能能3.2分区存储储管理3.3虚拟存储储器管理理3.3虚拟存储储器管理理虚拟存储储管理是是用大容容量的外外存来扩扩充内存存，利用用虚拟技技术为用用户提供供一个比比有效的的实际空空间大得得多的虚虚拟内存存空间。。解决分区区存储管管理的两两大问题题：用户编程程的地址址空间（（逻辑地地址空间间）不能能超过实实际的内内存空间间，无法法运行很很大的应应用程序序。存储碎片片造成内内存空间间利用率率低，消消除代价价高。虚拟存储储器管理理的技术术思想部分装入入大型作业业运行时时，不是是将它的的全部信信息装入入内存，，而是将将其一部部分先装装入内存存，另一一部分暂暂时存放放在外存存（磁盘盘）上，，在作业业运行过过程中，，根据需需要动态态地装入入。部分交换换当内存已已占满而而又需将将外存上上的信息息装入时时，则按按照一定定的策略略进行内内外存的的交换。。虚拟存储储器管理理的具体体实现3.3.1分页存储储管理3.3.2分段存储储管理3.3.3段页式存存储管理理3.3.1分页存储储管理页式存储储管理通通常是由由页表实现逻辑地址址到物理地址址的转换，，其基本本思想是是：将每个进进程的虚拟地址址空间按固定大大小分成成若干个个相等的的页面，，并用0、1、2、···序号表示示，叫做做虚页面。。把内存空间间也按同样样大小分分为若干干个相等等的页面面，也用用0、1、2、···序号表示示，叫做做实页面。。在对进程程进行存存储分配配时，将将进程的的虚页面面映射到内存的的实页面面上，这这些实页页面可以以是不连连续的。。用户程序序的虚页页数可以以大大超超过内存存的总页页数，正正在使用用的虚页页面在内内存中，，暂时不不用的页页则放在在磁盘中中。分页式管管理技术术通过地址转换换机制，能明显显消除内内、外存存之间的的差别，，将外存存看作内内存的扩扩充和延延伸，并并能很好好解决“外零头”的问题。。分页存储储管理的的具体内内容页面地址址转换缺页中断断处理页面淘汰汰算法(1)页面地址址转换在分页式式管理系系统中，，作业装装入时，，以页为为单位分分配存储储块。要实现作作业的逻辑地址址转换为实际内存存地址，需建立立以下数数据结构构：存储分块块表MBT（MemoryBlockTable）页表PT（PageTable）作业表JT（JobTable）页面地址址转换——存储分块块表MBT表中记录录内存中每个存存储块的的使用情情况：状态是指存储储块是否否空闲整个系统统一张表表表目数等等于内存存块的总总数块号作业号状态012··NOSJ1J1··JK忙忙忙··闲存储分块块表MBT页面地址址转换——页表PT每个用户户的作业业都有一一张页表表每个表项项的内容容包括页号标志——0表示该页页面不在在内存1表示该页页面在内内存块号——表示该页页面所对对应的存存储块页号标志···块号0123···m1101···1··················21-8···17页表PT页面地址址转换——作业表JT整个系统统设置一一张作业业表，每每个作业业为一个个表项。。记录该作作业的页页表在内内存中的的：起始地址址大小状态作业号作业大小页面地址状态J1J2···1618···1024······已占用······作业表JT(1)页面地址址转换逻辑地址址映射到到物理地地址的过过程如下下：当作业被被调度时时，系统统从作业表(JT)中查找相相应页表表的起始始地址及及大小，，并装入入页表控制制寄存器器(PTCR)。按页表起起始地址址查找页表(PT)，首先将将当前访访问的逻逻辑地址址的页号号与页表表寄存器器中当前前页表的的大小比比较，确确定访问问合法性性若页号超超过页表表大小则则为非法法访问若访问合合法则从从相应页页描述中中找到响响应块号号将块号与与逻辑地地址中页页内地址址相拼接接，即将将页内地地址作为为块内地地址，形形成物理理地址(1)页面地址址转换页式存储储管理的的地址转转换机制制(2)缺页中断断处理在地址转转换过程程中，若若当前访访问页的的标志位位为0，即该页页不在内内存，则则产生缺页中断断。此时用户户作业暂停执行行，CPU转去执行行缺页中断断处理程程序，该程序序的功能是把所需需的页面面从外存存调入内内存，并并把实际际块号填填入页表表，将标标志位改改为1，然后继继续执行行被中断断的程序序。若内存中中无空闲闲块时，，则按照照某种页页面淘汰汰算法选选择一页页面换出出内存，，再从外外存调入入所需页页面。(3)页面淘汰汰算法在处理缺缺页中断断的过程程中，当当内存无无空闲块块又需调调入新页页面时，，需将内内存中的的一些页页面置换换出来。。淘汰页面面的算法法又称页面置换换策略，是虚拟拟存储管管理的核核心问题题，将直直接影响响到存储储管理的的性能，，常用的的淘汰算算法有：：FIFO（FirstInFirstOut）算法淘汰在主主存中驻驻留时间间最长的的页面LRU（LeastRecentlyUsed）算法淘汰最近近最久不不用的页页面LFU（LeastFrequentlyUsed）算法淘汰最近近最少使使用的页页面分页存储储管理的的特点：：存储效率率高具有较强强的存储储保护功功能方便的重重定位易于共享享页面开销较大大3.3.2分段存储储管理分页存储管理理的进程程逻辑空空间结构构是线性性的，它它是对连连续的地地址空间间的一种种固定长长度的连连续划分分，一页页通常不不是一个个完整程程序或数数据逻辑辑段；分分区和分分页的管管理都是是静态链接方式。。实际上，用用户的作业业是按逻辑辑上有完整的段来划分的，，如主程序序、子程序序、数据等等段。为了给用户户提供一个个方便灵活活的程序设设计环境，，将作业的的地址空间间按逻辑意意义分段，，以段作为为内外存交交换的单位位。这样既利于于程序设计计又可方便便地按段名名访问，易易于实现对对模块特别别是共享模模块的保护护和共享。。段式存储管管理可使用用动态链接的方式式。分段存储分分配一个作业分分为若干段段，每段都都有段名。。程序编译后后，段名转转换为段号号，唯一标标识一个段段，各段长长度不等。。各段都从0开始连续编编址。逻辑地址的的组成：一个段必须须分配在内内存的一个个连续空间间中，但各各段可以不不连续。段长由程序序决定，且且可动态延延伸。段号段内地址（段内位移量）动态地址转转换每个作业的的段表ST(SegmentTable)段号段长起始地址特征位存取控制修改位增补位在内存的物物理起始地地址1：该段在内内存0：该段不在在内存R：允许读W：允许写E：允许执行行1：该段在内内存中修改改过0：该段未修修改过1：允许该段段动态增长长0：不允许该该段动态增增长动态地址转转换由于分段存存储管理按按逻辑地址址来分段，，按段名进进行访问，，因此可以以方便地实实现分段的的共享与保保护。段式动态地地址转换过过程将逻辑地址址中的段号与段表寄存存器中的段长比较，验证证段号合法法性。由段表始址址寄存器的的段表始址址找到段表表位置，根根据逻辑地地址中的段段号查找段段表，得到到该段在主主存的起始始地址。同时还应判判断该段的的特征位。。若为1表示该段在在内存。若为0产生缺页中中断，应将将相应段调调入内存，，若内存空空间不够，，应合并空空闲区或按按某种淘汰汰算法淘汰汰部分段。。根据“存取控