第4章 操作系统I（概述与进程管理）

1、,大学计算机基础,任 小 广 计算机学院611教研室,第4章 操作系统（I 概述与进程管理）,上章回顾,冯.诺依曼体系结构 CPU 指令：机器指令、汇编指令、高级语句、ISA 结构及功能：运算器、控制单元、寄存器组 工作过程：取指令、译码、执行、写结果 存储系统 层次结构 主存的结构：单元、地址、访问（MAR、MDR） 磁盘（磁道、扇区）、光盘、Cache 总线分类 I/O系统 组成：接口、设备、软件 方式：查询、中断、DMA,大学计算机基础,2,主要内容,4.1 操作系统概述 4.2 进程管理 4.3 存储管理 4.4 文件管理 4.5 设备管理 4.6 用户接口 4.7 操作系统的加载,大

2、学计算机基础,3,自学、 以了解为主！,主要内容,4.1 操作系统概述 4.1.1 操作系统发展简史 4.1.2 操作系统基础 4.1.3 常见操作系统 4.2 进程管理 4.3 存储管理 4.4 文件管理,大学计算机基础,4,4.1.1 操作系统发展简史,大学计算机基础,5,4.1.1 操作系统发展简史,计算机工作过程案例 读磁盘 运行 输出,大学计算机基础,6,为什么我们使用计算机没有察觉如此繁琐的工作？,将计算机资源的管理和操作独立出来，从而形成了操作系统,.,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 无操作系统阶段：“人工干预” 背景 计算机刚出现 存储容量小，运行速度慢 输入输出：纸带

3、输入机、卡片阅读机、打印机等 计算机的使用量不大 能用计算机的人不多 用计算机的人也不一定需要频繁使用计算机,大学计算机基础,7,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 无操作系统阶段：“人工干预” 背景 计算机刚出现 计算机的使用量不大 用户如何使用计算机 以单个作业为单位 作业：用户的一次上机运行程序 单个作业独占，即你用我就不能用 繁琐的具体使用流程 将“写”有程序的纸带或卡片装入输入机 通过控制台启动程序 拿打印结果，卸纸带,大学计算机基础,8,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 无操作系统阶段：“人工干预”,大学计算机基础,9,读卡机,打印机,程序 /数据,启动程序,装载,计算,

4、结果,取结果,.,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 初期： 背景 用计算机的人慢慢多了，发现 大量的时间花费在繁琐的人工操作中，且速度慢 真正的程序执行时间很短 怎么办？ 在机器上安装批量监督程序 控制一个纸盘或一叠卡片上的一批作业依次执行 只有一个作业执行完，下一个作业才会被调度处理；直到这批作业全部被处理完 专设操作员，解放用户 用户将自己的作业交给操作员 操作员将作业组织成批，装到输入设备并启动运行,大学计算机基础,10,批处理,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 初期：“批处理”,大学计算机基础,11,程序 /数据,程序 /数据,程序 /数据,机 房,4.1.1 操作系统发展

5、简史,历史阶段 初期：“批处理”,大学计算机基础,12,程序 /数据,程序 /数据,程序 /数据,一批作业,装载,计算,结果,结果,结果,“批处理”具体组织形式 联机批处理 输入输出是联机的，即作业的输入与输出由CPU控制 不足？ CPU一直都忙 CPU速度提高后，快速的CPU被牵扯在慢速的输入输出上,主机,4.1.1 操作系统发展简史,大学计算机基础,13,.,CPU,纸带,读卡机,打印机,内存,磁带,程序 /数据,程序 /数据,程序 /数据,计算,结果,结果,结果,“批处理”具体组织形式 脱机批处理 输入输出由特定的卫星机完成 优点：主机与卫星机并行，性能提高,主机,4.1.1 操作系统发

6、展简史,大学计算机基础,14,CPU,纸带,读卡机,打印机,内存,磁带,程序 /数据,程序 /数据,程序 /数据,计算,结果,结果,结果,卫星机,卫星机,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 初期：“批处理” 动机 大量的时间花费在繁琐的人工操作中，且速度慢 怎么办 在机器上安装批量监督程序 专设操作员，解放用户 具体组织形式 联机批处理 脱机批处理,大学计算机基础,15,4.1.1 操作系统发展简史,“批处理” 不足及改进思路 最大的问题 用户的作业一旦提交，就无法交互 对策 交互式系统（可理解为对批量监督程序进行升级） 新问题 交互很慢，且多用户不能同时交互 新对策 分时式系统 将计算机

7、的运行时间分成多个时间段 多个用户的作业以时间段为单位轮转使用计算机,大学计算机基础,16,每个用户都感觉自己在独占使用机器,.,4.1.1 操作系统发展简史,历史阶段 现代操作系统诞生：多道批处理 主存中同时存放多个程序，相互交替运行 宏观并行、微观串行 提高资源利用率，资源竞争却增加了系统的复杂性,大学计算机基础,17,4.1.1 操作系统发展简史,现代操作系统（以多道程序为基础）特点 并发性 指两个或多个事件在同一时间段内发生 与并行的区别: 并行指的是两个或多个事件在同一时刻发生 共享性 指系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用,大学计算机基础,18,4.1.1 操作系统发展

8、简史,现代操作系统（以多道程序为基础）特点 并发性 共享性 虚拟性 将一个物理实体映射为若干个逻辑实体， 前者是客观存在的，后者是虚构的 不确定性 单处理机实现多道程序技术时，由于资源等因素的限制，内存中的每个程序在何时能获得处理机运行、每道程序需多少时间完成等，都是不可预知的,大学计算机基础,19,.,4.1.2 操作系统基础,操作系统的双重角色 资源管理者 CPU管理 存储管理 文件管理 设备管理 用户接口 屏蔽硬件细节 对应用的一种抽象，程序的接口 内核+Shell,大学计算机基础,20,.,4.1.3 常见操作系统,操作系统类型 桌面操作系统（个人电脑操作系统） 服务器操作系统 多处理

9、器操作系统 实时操作系统 嵌入式操作系统 分布式操作系统 网络操作系统 ,大学计算机基础,21,4.1.3 常见操作系统,MS-DOS和Windows系列 DOS：远古霸主 单用户、单任务、字符界面终端,大学计算机基础,22,4.1.3 常见操作系统,MS-DOS和Windows系列 DOS：远古霸主 Windows 98、2000、XP、Win7、Win8 图形界面、交换方便、多用户、多任务 UNIX家族 多用户、多任务的分时操作系统，广泛应用于高档微机、小型机、服务器 LinuxRichard Matthew Stallman 全球最大自由免费软件,大学计算机基础,23,回顾操作系统主要功

10、能,大学计算机基础,24,主要内容,4.1 操作系统概述 4.2 进程管理 4.2.1 进程与程序 4.2.2 进程状态 4.2.3 进程管理与调度 4.3 存储管理 4.4 文件管理,大学计算机基础,25,处理机管理 VS 进程管理,处理机管理 处理机（CPU）是计算机中执行程序的主要部件 要解决的问题：在多道程序执行环境中，如何为同时运行的多个程序分配CPU资源？ 要求：提高CPU的使用效率、能满足不同程序的需求 进程管理 进程是操作系统中最核心的概念 在很大程度上就是对CPU的管理，如何将CPU分配给程序使其能够运行,大学计算机基础,26,4.2.1 进程和程序,什么是进程 程序：用于控

11、制计算机行为完成某项任务的指令序列 一个程序顺序执行两次 多道程序操作系统下，一个程序的并发执行,大学计算机基础,27,4.2.1 进程和程序,什么是进程 程序的并发执行导致 程序和计算机执行程序的活动不再一一对应 一个程序可能同时对不同的数据集进行计算 并发程序间，即进程间存在相互制约关系 程序执行需要资源，但资源是有限的 例如：程序A的执行需要同时占有资源R1和R2 进程a1占有R1 进程a2占有R2,大学计算机基础,28,进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位,两个进程都无法执行，即死锁,.,4.2.1 进程和程序,进程的特点 动态性：是

12、一次“程序的执行”，由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡 并发性：多个进程实体同存于内存中，在一段时间内可以同时运行 独立性：进程是操作系统进行调度和分配资源的独立单位 异步性：也称为不确定性，系统中的进程，按照各自的、不可预知的速度向前推进 结构特性：进程是由程序段和相应的数据段及进程控制块构成的，程序只包含指令代码及相应数据,大学计算机基础,29,.,4.2.1 进程和程序,进程与程序的关系 进程是动态的，程序是静态的：进程是程序的一次执行，程序是有序代码的集合 进程是暂时的，程序是永久的：进程有生命周期，会消亡，程序可长期保存在外存储器上 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数

13、据和进程控制块 进程与程序密切相关：同一程序的多次运行对应到多个进程；一个进程可以通过调用激活多个程序,大学计算机基础,30,4.2.2 进程状态,进程为什么要有状态？ 多道程序操作系统中同时有多个并发的进程 进程的执行需要占用资源：CPU和其它资源 CPU资源是宝贵的，需要合理使用 进程生命周期中的状态 运行：进程正在CPU上执行 就绪：进程获得了除处理机之外的一切所需资源 等待(阻塞)：进程正在等待某一事件而暂停运行，如等待某种资源、等待输入/输出指令完成,大学计算机基础,31,进程需要根据自己的状态，决定何时使用CPU！,.,4.2.2 进程状态,进程状态的变迁,大学计算机基础,32,进

14、程在生命周期中会经历多种状态， 但同一时刻，一个进程只有一个状态！,4.2.3 进程管理与调度,如何管理进程 操作系统为了管理和控制进程的运行，为每个进程定义一个用于记录进程属性信息的表进程控制块(Process Control Block, PCB) PCB是进程存在的唯一标志，随着进程的创建而建立，随着进程的撤消而撤消 在进程生命期，操作系统利用PCB对进程进行调度和资源分配,大学计算机基础,33,4.2.3 进程管理与调度,进程控制块PCB的内容,大学计算机基础,34,4.2.3 进程管理与调度,OS对进程的主要管理功能,大学计算机基础,35,新创建的进程,创建进程：为进程创建一个PCB

15、，将有关信息填入该PCB中，并把该PCB插入到就绪队列中,4.2.3 进程管理与调度,OS对进程的主要管理功能,大学计算机基础,36,进程执行完毕,新创建的进程,撤销进程：进程完成任务之后，操作系统应及时收回它占有的全部资源，以供其它进程使用,4.2.3 进程管理与调度,OS对进程的主要管理功能,大学计算机基础,37,等待某个事件,新创建的进程,阻塞进程：正在运行的进程由于其所申请的资源不可获得，必须等待所需资源，操作系统将剥夺该进程的CPU，使其转入等待状态,4.2.3 进程管理与调度,OS对进程的主要管理功能,大学计算机基础,38,等待某个事件,等待的事件发生,新创建的进程,唤醒进程：当某

16、进程被阻塞的原因消失（获得了阻塞时需要的资源）时，操作系统将其唤醒,4.2.3 进程管理与调度,OS对进程的主要管理功能,大学计算机基础,39,等待某个事件,等待的事件发生,进程调度,时间片用完或,更高优先级进程出现,新创建的进程,进程调度,4.2.3 进程管理与调度,进程调度 时机 正在运行的进程结束运行、运行中的进程要求I/O操作、分配给运行进程的时间片已经用完等 进程调度策略 先来先服务 时间片轮转 优先级法 多级反馈队列轮转,大学计算机基础,40,4.2.3 进程管理与调度,进程调度策略 先来先服务 按照进程就绪的先后顺序来调度进程，到达得越早，就越先执行 时间片轮转 就绪进程按先后次序排队，将CPU分配给第一个就绪进程一个固定的时间片（如50毫秒），当该运行进程用完规定的时间片时，系统将CPU和相同长度的