计算机作业管理

第2章作业管理

2.0本章学习目标

2.1操作系统与用户的接口

2.2作业管理概述

2.3批处理方式下的作业管理

2.4小结

★

*2.0本章学习目标

★对用户来说，他们所关心的不是操作系统的内部实现细节,

而是操作系统的外部特性。以用户观点研究操作系统，要求

操作系统能为用户提供更多的服务，以方便用户对计算机的

使用，这就是操作系统的作业管理功能。

★本章学习目标：

1.掌握作业与作业管理概念。

2.理解作业状态及其转换。.4

3.领会作业调度与作业控制。X

**

*2.1操作系统与用户的接口

★用户利用计算机解决问题，大致可分成两个步骤：

首先是编制程序，其次是使程序在计算机上运行。

★这两步都离不开操作系统的支持。

★操作系统是用户与计算机之间的接口，用户是通过操作系统

来使用计算机的。

★操作系统向用户提供了两类使用接口：

一类用于程序一级，.

另一类用于作业控制一级。见图2.1所示。发（

***

图2.1操作系统向用户提供的两类接口

2.1.1程序级接口

*★由一组系统调用命令(又称广义指令)组成。

★系统调用命令：可看成是机器指令的扩充，因为从调用形

式上看，执行一条系统调用命令相当于执行了一条功能很强

的机器指令。与机器指令不同之处在于：系统调用命令由操

作系统核心解释执行。

★系统调用：是操作系统向用户提供的程序一级的服务，用

户程序借助于系统调用命令来向操作系统提出各种资源要求

和服务请求。例如，用c语言编写程序时，可在程序中直接使

用系统调用命令getchar(void),以从标准输入设备中读取下

一个字符。

*1

★不同的操作系统所提供的系统调用命令的条数、调用格式

和所完成的功能等都不尽相同。

★例如，在汇编一级，IBM360/370机器中系统调用命令（访

管指令）的格式是“SVCN〃，IBM-PC机提供的系统调用命令

（软中断指令）的格式是"INTN〃，等等。

★一般的系统向用户提供几十到几百条系统调用命令。而操

作系统内已事先编制好实现这些系统调用功能的子程序或过程。

从用户程序进入系统调用的步骤及执行过程如下：

★首先，把系统调用命令所需要的参数或参数区首地址装

入指定的通用寄存器；

★然后，设置一条调用指令（如：“访管”指令或“软中

断”指令）；

★当用户程序执行到该条调用指令时，就转到系统调用的

处理程序。

★其处理过程见图2.2所示。j、

**

*用户程序系统调用处理机构系统子程序

图2.2系统调用的处理过程

*1

即：

(1)保留用户程序的现场，将系统调用的命令号等参数

放入约定的存储单元。

(2)根据系统调用命令号，访问系统调用入口表，找到

相应子程序的入口地址，然后转去执行。

(3)恢复现场，并把系统调用命令的返回参数或参数区

首地址放入指定的通用寄存器中，供用户程序使用。

yL*东

2.1.2作业级接口

★这类接口是系统为用户在作业一级请求操作系统服务而设置

的，

★用户可利用这类接口组织作业的工作流程和控制作业的运行。

★这类接口又分为：联机接口、脱机接口。

AA/

*1.联机接口

★由一组键盘操作命令组成，是用户以交互方式请求操作系统

服务的手段。用户通过终端或控制台打入操作命令，向系统提

出服务请求。

★用户每打完一条命令，控制就转入操作系统的命令解释程序，

系统对该命令解释执行，完成指定的操作。执行完毕，控制又

转回到终端或控制台，用户可接着打入下一条命令。如此反复，

直到作业完成。

★键盘操作命令的作业控制方式灵活方便，用户可根据运行情

况随时干预自己的作业，但是，系统的资源利用率不太率治

**2.脱机接口

★由一组作业控制命令（又称：作业控制语言）组成，供脱

机用户使用。

★所谓脱机用户，是指：

用户不能直接干预其作业的运行，而是事先把对系统的请求用

作业控制语言写成一份作业说明书，连同作业的程序和数据一

起，提交给系统。

★当系统调度该作业执行时，由操作系统对作业说明书上的

命令逐条解释执行，直至遇到“撤离”命令而停止该作业为止.

\关洋

★这种接口主要用于批处理方式操作系统，

★其优点是：作业的操作过程由系统自动调度或由系统管理员

干预，因而，系统资源利用率高，系统运行作业的效率高。

★其不足是：用户与系统隔离，由于用户不能干预他自己作业

的运行，使用户作业的调试周期增长。

★所有计算机的用户都是通过上述接口与操作系统发生联系的。

作业管理涉及的是作业控制级接口的管理。

*

课堂练习

P42：二：1-2

**

*2.2作业管理概述

★作业管理的主要任务是：解决作业的输入/输出问题，

也就是说，作业管理的任务是：

★建立作业，使之执行，并在完成任务后将其撤消。

★作业的输入/输出过程是：在操作系统提供的有关命令

控制之下完成的。

AA/

¥**

2.2.1作业、作业步、作业流

一个作业：用户在一次上机算题过程中或一次事物处理过程中,

要求计算机系统所做工作的总称。

例如，用户用C语言编写了一个C程序（取名：user）,他将通过

计算机系统完成图2.3所示工作：

AA/

图2・3作业、作业步

编辑：由控制台编辑输入C源程序(user.c)存到磁盘上;

编译：对C源程序进行编译，得到相应的目标程序

(user.obj)存到磁盘上；

链接：对目标程序连接装配，得到一个可执行的程序

(user.exe)存到磁盘上；

执行：执行可执行程序，并输出结果。

★以上几个步骤的总和就是一个作业，*''

★其中每个步骤就称为一个作业步。之

***

★一个作业一般可分成若干个作业步，各作业步之间相对独立，

又相互关联。

★作业步之间的关系表现为：

(1)前一个作业步往往产生下一个作业步运行时需要的数据

(文件)。如图2.4所示。

用户用C语言编写的源程序，通过编辑形成一个USER.C源程序，它是第

二个作业步编译的对象，而编译产生的目标模块(USER.OBJ)则是第三个

作业步的链接对象，链接装配好的可执行文件(USER.EXE)装入主存后正

是执行的对象。

USER.CUSER.OBJUSER.EXE

编辑--------编译--------^连接-------^执行*/

第1作业步第2作业步第3作业步第4作业步K

图2.4作业步之间的关系

**'

(2)往往只有前一个作业步运行成功，才能继续运行下一

个作业步。

★若源程序有错，编译一定不会成功，且系统会列出编译中

的错误。这时，需返回到编辑状态进行修改，修改正确后再

进行编译，只有编译的出错信息为零时才能进行下一个作业

步；只有当链接成功后，程序才能执行。

★系统在完成每一个作业步时，可以建立一个或几个进程，

作业步所完成的工作是这些进程的执行结果(有关进程的概

念将在第3章学习)。

★作业流：在批处理系统中，把一批作业安排在输入除劣

然后依次读入系统进行处理，从而形成了作业流。去M

*

课堂练习

P42：二：3-4

yL*东

2.2.2作业管理的任务

★用户怎样把他的作业提交给操作系统，操作系统又是

怎样组织、调度它们运行的，这些都属于作业管理范畴。

★作业管理的主要任务是：作业调度和作业控制。

AA/

**

¥1.作业调度

★作业调度：根据一定的算法，从输入到系统的一批作业中,

选出若干个作业，分配必要的资源，如内存空间、外部设备

等，为它们建立相应的用户作业进程和为其服务的系统进程,

最后，把这些作业的程序和数据调入内存，等待进程调度程

序去调度执行。

★作业调度的目标是：使作业运行最大限度地发挥各种资源

的利用率，并保持系统内各种活动的充分并行。

*2.作业控制

作业控制：在操作系统支持下，用户如何组织其作业并控制作

业的运行。作业控制包括两个方面：

(1)从用户角度来说，作业控制就是：用户通过作业控制级

接口，组织和控制其作业在计算机上的运行；即作业控制就是：

用户在上机操作过程中对作业的各种干预。

(2)从系统管理角度，作业控制就是：系统接受、分析并执

行用户发出的控制命令，对作业的运行进行管理和控制。

作业控制方式有两种：

(1)脱机作业控制：也称为作业的自动控制方式，它是为

脱机用户服务的。脱机作业控制方式在批处理系统中提供。

(2)联机作业控制：也称为作业的直接控制方式，它是为

联机用户或终端用户服务的。在分时系统中一般提供联机控

制方式。

AA/

*

课堂练习

P42：二：5

2.3批处理方式下的作业管理

★在分时系统和实时系统中，一般没有作业的概念，因而也无

作业管理，

★但在批处理系统中，作业管理是很必要、很重要的一个功能。

2.3.1作业构成

2.3.2作业控制块JCB(JobControlBlock)

2.3.3作业进入系统和作业建立

2.3.4作业状态及其转换

2.3.5作业调度及调度算法

2.3.6作业控制**

2.3.7作业完成《

2.3.1作业构成

★作业由三部分组成，即：程序、数据、作业说明书。

★程序和数据：完成用户要求的业务处理工作；

★作业说明书：体现用户对其作业的控制意图。例如，程序

采用何种语言书写，是否需要进行修改、编译，程序运行出错

时怎么处理，运行作业需要哪些资源等。

★作业说明书主要包含三方面内容，即：

作业的基本情况描述、

作业控制描述、作业资源要求描述。

其主要内容见图2.5所示。

「用户名

¥作业名

作业基本情况描述《使用语言

完成作业的最迟时间

作业优先级

「控制方式

作业控制描述《操作顺序

出错处理

「估计运行时间

内存空间需求量

作业资源要求描述〈外存空间需求量

输入输出设备类型和数里

库函数或实用程序

图2.5作业说明书的主要内容

*2,1.2作业控制块JCB

(JobControlBlock)

★操作系统根据作业说明书生成一个称为作业控制块JCB的表格。

★系统为每一个作业建立一个JCB,JCB包含了对作业进行管理

控制所必要的信息。

★JCB：在作业整个运行中始终存在，且内容不断变化，只有当

作业完成退出系统时，才清除该作业的JCB。因此，JCB是作业在

系统中存在的标志。

★JCB中的信息：主要根据用户提供的作业控制信息以及系统

为作业分配资源的情况来填写，并且根据作业运行情况动存叁。

**

一般JCB包含以下内容:

(1)用户名和作业名；

(2)作业优先数；

(3)作业在外存中存放的地址及长度；

(4)作业对资源需求及分配使用情况，如内存需求量及地址、

输入输出设备类型和台数及台号；

(5)作业要求运行时间；

(6)作业进入系统时间以及作业运行时间计数等；

(7)有关类型说明，如程序类型、作业类型、控制方式也

(8)作业状态。

JCB内容是作业调度的依据。&r

*

课堂练习

P43：6

**

*2.3.3作业进入系统和作业建立

★当系统操作员在输入设备上，将各个用户提交的作业准备好

后，输入“START”命令，启动操作系统的预输入程序工作。

★预输入程序：从输入设备上接收作业信息（包括：作业说明

书、程序、数据），把作业组织成文件送到磁盘上的特定空间

（称为输入井）；同时，根据作业说明书内容和有关信息为该作

业建立一个JCB。此时，作业建立完成。

作业（作业说明书、程序、数据）

输入设备

输入井（JCB、程序、数据）

*

课堂练习

P43：8

yL*东

2.3.4作业状态及其转换

★一个作业从进入系统到运行结束，

一般要经历四个阶段：进入、后备、运行和完成,

★相应地，作业亦有四种状态。

1.进入状态

作业的信息正在从输入设备上预输入到输入井，此时，称作业

处于进入状态。

2.后备状态

★当作业的全部信息都已输入，且由操作系统将其存放在输入

井中，并为该作业建立一个JCB,此时，称作业处于后备状态。

★系统将所有处于后备状态的作业的JCB组成后备作业队列,

等待作业调度程序的调度。

**r

3.运行状态

★一个后备作业被作业调度程序选中，分配了必要的资源,

调入内存运行，称作业处于运行状态。

★作业管理按照作业步顺序，依次为每个作业步创建一作

业步主进程，使其参与CPU的竞争。每个进程又可以创建若

干子进程。这些进程有的正占用处理机执行，有的因等待

某个事件发生而处于等待状态，有的处于就绪状态，（有

关进程及其调度的概念将在第3章学习），但从宏观上看，

该作业已处于运行状态。*

4.完成状态

★当作业正常运行完毕或因发生错误非正常终止时，作业

进入完成状态。

★此时，系统将收回该作业所占用的全部资源，并清除有

关的JCB和PCB（进程控制块，第3章学习）。

★然后，系统将作业运行情况及作业输出结果（存放在磁

盘上的输出井中）输出到输出设备（如打印机）。

输出井（作业运行情况、结果）

输出设备

*

图2.6作业状态及转换

*

课堂练习

P43:7

**

*2.3.5作业调度及调度算法

1.作业调度

作业调度的主要任务是：

★按照某种调度算法，从后备作业队列中，挑选一批合理搭配

的作业进入运行状态；

★同时，为选中的作业分配内存和外部设备资源，为其建立有

关的进程；

★当作业执行结束进入完成状态时，做好释放资源等善后工作。

决¥

**r

2.作业调度算法

★作业调度算法决定：选择哪一个后备作业进入运行状态。作

业调度算法是作业调度的关键，其好坏直接影响到系统的效率。

★选择调度算法要考虑的因素很多，而且这些因素往往是相互

矛盾的。

★一般应考虑以下三个基本目标：

(1)尽量提高系统的作业吞吐量，即每天处理尽可能多的作业。

(2)尽量使CPU和外部设备保持忙碌状态，以提高资源利用率。

(3)对各种作业公平合理，使所有用户都满意。

★实际上，对于一个具体系统来说，如果考虑的因素过多，

必将导致调度算法复杂化，增加系统开销，反而不利于提高

系统效率。

★因此，大多数操作系统都采用比较简单但有效的作业调度

算法。

AA/

yL*东

3.评价作业调度算法优劣的性能指标

通常有两个。

1）作业平均周转时间T

★某作业i从进入时刻Ts到完成时刻Tc所经历的时间称

为该作业的周转时间Ti,有：

Ti=Tc-Ts

★则n个作业的平均周转时间为

n

T=(STi)/n

i=l

yL**

2）作业平均带权周转时间W

★作业i的周转时间Ti与实际运行时间Tr之比称

为作业i的带权周转时间Wi,有

Wi=Ti/Tr

★则n个作业的平均带权周转时间为

n

W=(SWi)/n

i=l

★通常，

用T来衡量不同调度算法对同一作业流的调度性能；

用W来衡量同一调度算法对不同作业流的调度性能；

★T和W越短，系统对作业的吞吐量越大，系统的性能越

高，因此，T和W愈短愈好。

AA/

*

4、主要作业调度算法

通常有三种调度算法：

先来先服务算法、短作业优先算法、最高响应比作业优先算法。

**

1）先来先服务算法

★该算法按照作业建立时间的先后次序来选择作业,

先进入系统的作业优先调度。

★例如：假定有三个作业按表2.1第二列所示提交给

系统，各作业的估计运行长度如表中第三列所示。

表2.13个作业提交与运行情况表

作业号提交时间估计运行长度

110：002小时

210：061小时

310：150・25小时

***

按照先来先服务的原则，可以计算出它们各自在系统中

的开始运行时间，完成时间、周转时间。计算结果如表2.2。

表2.23个作业先来先服务的调度结果

作业号开始运行时间完成时间周转时间

110：0012：002.00小时

212：0013：002.90小时

313：0013：153.00小时

★三个作业的平均周转时间T和平均带权周转时间W为:

T=(2.00+2.90+3.00)/3=2.63A

W=(2.00/2+2.90/1+3.00/0.25)/3=5.301

***

★显然，对于短作业3而言，它本来只需运行15分钟，但

因为稍来迟一点，就需在系统中呆三个小时，等待了2小时

45分钟后才得以运行，等待时间以实际运行时间，因此它

对这种算法很不满意。因此，

★这种调度算法的优点是：实现简单和看似公平。

★其缺点是：没有考虑到系统中各种资源的充分利用；短作

业用户不满意，因为短作业等待处理的时间可能比实际运行

时间长得多。

★针对此不足加以改进，则出现了第二种作业调度算法。

yL*东

2）短作业优先算法

★该算法总是优先选择估计运行时间最短的作业。

★例如：假定还是上例表2.1中的三个作业，现按照短作业

优先原则进行调度，调度结果如表2.3所示。

AA/

*

*表2.33个作业短作业优先的调度结果

作业号开始运行时间完成时间周转时间

110：0012：002.00小时

312：0012：152.00小时

212：1513：153・15小时

★三个作业的平均周转时间T和平均带权周转时间W为:

T=(2.00+2.00+3.15)/3=2.38

W=(2.00/2+2.00/0.25+3.15/1)/3=4.05

★显然，不论是T还是肌短作业优先调度算法的都小于

先来先服务调度算法的。q

*1

★实践证明，假定系统中所有作业是同时到达的，则采用短

作业优先算法可以得到最短的作业平均周转时间。

★但是，由于该算法只考虑作业运行时间而完全忽略了作业

等待时间的长短，因此有可能发生这种情况：一个长作业进入

系统后，由于不断有较短的作业进入系统，使它一直得不到机

会运行。这种现象被称为“饥饿”。使该算法对长作业不公平。

★为克服此缺点，又出现了第三种作业调度算法。分*4

3）最高响应比作业优先算法

★响应比R定义为：系统对作业的响应时间与作业估计运行

时间的比值，即：

R=响应时间/估计运行时间

=（作业等待时间+估计运行时间）/估计运行时间

=1+作业等待时间/估计运行时间

★该算法优先选择响应比最高的作业运行。

yL**

★例如：假定有四个作业按表2.4第二列所示提交给系统,

它们的估计运行长度如表中第三列所示。

表2.44个作业提交与运行情况表

作业号提交时间估计运行长度

18：002.0小时

28：300.5小时

39：000.1小时

49：300.2小时

*

按照最高响应比作业优先的原则，可以计算出它们各自在

系统中的开始运行时间、完成时间、周转时间。计算结果

如表2.5所示。

表2.54个作业最高响应比作业优先的调度结果

作业号开始运行时间完成时间周转时间

18：0010：002.00小时

310：0010：06L10小时

210：0610：362・10小时

410：3610：481.30小时

¥**

★8点钟时，只有作业1提交，因此系统直接调度运行它;

★在运行完作业1后，时间为10点整，其它三个作业都已提

交，它们在系统中的等待时间分别为L5小时、1小时和0.5

小时，此时它们的响应比分别为：

作业2R=l+1.5/0.5=4

作业3R=l+1.0/0.1=11

作业4R=l+0.5/0.2=3.5

★显然，作业3的R最高，系统选择作业3投入运行；儿、

★作业3完成后，时间为10:06,剩下的两个作业在系统中的等

待时间分别为L6小时和0.6小时，此时它们的响应比分别为：

作业2R=l+1.6/0.5=4.2

作业4R=l+0.6/0.2=4.0

★显然，作业2的R最高，系统选择作业2投入运行；

★当作业4完成后，只剩作业4,系统直接将其投入运行即可。

★这四个作业的平均周转时间T和平均带权周转时间W分别为：

T=(2.00+1.10+2.10+1.30)/4=1.625

W=(2.00/2+1.10/0.1+2.10/0.5+1.30/0.2)/4=5.675.

**'

★从R公式可见，作业的R与作业的估计运行时间成反比：

★作业的估计运行时间越短，其R越高，因此短作业会优先被调度;

★作业的估计运行时间越长，其R越低，同时作业的R会随着它的

等待时间的增加而增加，只要等待时间足够长，该作业总会由于响

应比高而被调度，因此长作业也不会发生“饥饿”现象。

★显然，该算法是上述两种算法的综合：它克服了上述两种算法

的缺点，结合了上述两种算法的优点。

★但该算法也有不足：每次调度都需要针对后备作业队中的所有

作业计算响应比并进行比较选择，系统会付出较大的时空开销。

**

5.作业调度时机

一般，

★当磁盘上的输入井中有一道作业建立（可能它的

优先级最高），

★或内存中的一道作业运行结束时（可能CPU空闲），

★系统就会启动作业调度程序开始工作。

*

课堂练习

P43-44:9-16

**

*2.3.6作业控制

★在批处理系统中，系统向用户提供作业控制语言

JCL(JobControlLanguage),使用户将自己对作

业的控制意图写成作业说明书，

★JCL:一种特殊的程序语言，通常包含：

作业描述、资源说明、作业执行、作业流程控制、

等作业控制语句。

AA/