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1、1,第三章 操作系统,3.1 基本概念 3.2处理机管理 3.3存储管理 3.4设备管理 3.5文件管理,2,3.1 基本概念,复习： 计算机系统硬件系统软件系统 软 件 系 统 系统软件应用软件,讨论3个问题： 操作系统是什么？ 它能干些什么？ 它是怎样干的？,3,1. 操作系统是什么？,定义是计算机的一种系统软件，由它统一管理计算机系统的软硬件资源和控制程序的执行。 地位最基本的系统软件，直接运行于裸机之上。 从用户的观点看，裸机OS虚拟计算机,答：,4,主要管理4类资源： CPU、存储器、I/O设备和文件,它能统一管理计算机系统的全部资源（包括硬件资源和软件资源），又称为资源管理程序。,

2、2. 操作系统它能干些什么？,没有OS行不行？,答：,对普通用户来说，不行。因为不清楚内存情况以及设备如何控制等细节。,引入OS的目的： 让用户能方便地使用计算机系统； 使计算机系统能高效地工作。,5,3. 操作系统它是怎样工作的？,即4大资源如何管理？要用到数据结构的基础知识。 这是本章的重点内容。,有几类操作系统？,6,单道 一次只有一个作业装入计算机的内存运行，在执行时不能使I/O设备与CPU同时工作，无法充分利用CPU。 （如DOS系统） 多道计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使他们在操作系统控制之下，相互穿插地运行。当某道程序因某种原因不能继续运行时（例如等待外设传输数据)，操

3、作系统便将另一道程序投入运行，以便让CPU及各个外设尽量处于忙碌状态，从而大大提高计算机使用效率。这种技术称为多道程序设计。 （如Windows系统）,多道特点：宏观上并行、微观上串行,何谓单道？何谓多道？,7,3.2 处理机（CPU）管理,一、管理目标 二、管理内容 三、作业管理 四、进程管理 五、典型操作系统分析,8,一、管理目标,首先要明确，单处理机的CPU，在任何瞬间只能执行一条指令，所以OS应当最大限度地提高CPU利用率； 其次要方便普通用户，尽可能操作方便。,处理机（CPU）管理的目标是什么？,9,二、管理内容,CPU管理又可分为作业管理和进程管理,作业管理和进程管理二者关系？ 前

4、者是宏观概念，后者是微观概念。,什么叫作业？ 是计算机完成用户任务所需进行的各项工作的集合，它是对算题任务进行处理的一个动态过程。,什么叫进程？ 是程序在数据集上的一次执行，即是在指定内存区域中一组指令序列的执行过程。,10,进程状态转换,每个作业从进入系统到执行完毕要经历四个阶段，所以作业具有四个状态：,作业调度的功能？,11,即一种资源管理程序，管理CPU资源的最高级（宏观）调度。,明确：作业管理是用户与计算机之间的接口； 这种接口可细分为两类：,批处理方式-即用作业调度方式进行管理 （特点：全自动）,作业在外存怎样存放？ 靠建立JCB（Job Control Block）,三、作业管理,

5、JCB是作业在系统中存在的唯一标志，它在作业整个运行过程中始终存在，内容也不断变化，直到作业完成才被清除。,交互方式-即人机对话方式 （特点：不自动或手工）,12,作业调度算法有几种？ 主要有5种。目的是提高作业吞吐量、提高系统资源利用率、对各种作业尽量公平。 l先来先服务算法 l最短作业优先算法,从作业队列中应该先选取哪些作业进入内存？,下面重点介绍批处理作业的调度算法,l最高响应比作业优先算法（已等待时间/作业运行时间） 响应比R作业响应时间/作业运行时间1作业等待时间/作业运行时间 l最高优先数算法 l均衡调度算法 / 资源搭配算法（使进入运行态的各作业合理搭配）,13,设有三个批处理作

6、业，所需执行时间分别为2小时、1小时和25分钟，相继到达时间分别为：6:00、6:10和6:25。 若对这三个批处理作业采用调度算法S1，其执行情况如下：,问：调度算法S1采用的是什么样的算法？ 答：先来先服务算法。,14, 若对这三个批处理作业采用调度算法S2，其执行情况如下：,问：调度算法S2采用的是什么样的算法？ 答：最短作业优先法。,15, 系统有四个批处理作业采用调度算法S3，其执行情况如下：,问：调度算法S3采用的是什么样的算法？ 答：最高响应比作业优先算法。,【分析】计算当J1完J2150分钟/20分钟3.5; 成后各作业J3= 140分钟/10分钟5; 【响应比最高】 的响应比

7、 J4= 120分钟/15分钟2.3; 同理：当J3执行完后，可以计算J2、J4的响应比以确定先后次序。,16,四、进程管理,1. 进程的定义 是在指定内存区域中的一组指令序列的执行过程,它是一个程序在一个数据集上的一次执行 或进程是程序的一次执行过程 而程序的定义是：具有独立功能的一组指令的集合，它给出了CPU执行操作的步骤。,问：进程和程序的区别和联系？ 联系：进程是程序的执行过程。同一个程序如果运行在不同的数据集上，就构成了不同的进程;而同一个进程中又可以包含多个程序。 区别： 程序是静态的，进程是动态的； 程序是永久的，进程是暂时的； 进程有状态（三态），而程序却没有重要区别。,菜谱炒

8、菜,17,2. 进程的属性,等待态又称阻塞、挂起、封锁。,动态性指从诞生、运行，直至消灭 并发性指并发执行的进程轮流占用处理器CPU 3个基本态指就绪态、运行态、等待态，可互相转换,18,练习1 ： 处于就绪状态的进程可以有 ？ 个； 处于等待状态的进程也可以有 ？个； 但处于运行状态的进程只会有 ？个。,练习2：程序的执行何时从运行态中退出？ 有3种可能性： 正常结束； 时间片用完； 运行时某条件不满足，则主动退出等待条件满足。,多,多,1,练习3：占有除CPU之外的一切资源的进程处于 ？ 态。,就绪,练习4：通过 ？完成进程三基本状态间的转换。,进程调度程序,19,讨论： 处理机空闲时，会

9、选中哪个进程来运行？运行多长时间？,常用的进程调度算法有4种： l先来先服务调度算法 l优先数调度算法 l时间片轮转调度算法 l分级调度算法,这叫进程调度,常规算法，分配给先进入就绪队列的进程，且把该进程执行到底，直到结束或等待。,对每个进程给出一个优先数（分等级），优先级高的允许先“抢占” CPU；若同级，则按“先来先服务”原则。,比较折衷的设计，每个进程都执行相同的时间段（片），分时轮流，交替执行（注意时间片的选择要合理，太短了虽每个进程的响应加快，但调度太频繁；太长了对其它进程响应不及时）。,由系统设置多个就绪队列(前、后台队列)，每个就绪队列中的进程按时间片轮转法占用处理器。,20,进

10、程调度中的先来先服务算法是把处理机分配给: （A）优先数领先的进程 （B）先进入内存的作业的进程 （C）先进入等待队列的进程 （D）先进入就绪队列的进程,练习：,问：队列的操作只能是先进先出，进程已进入就绪队列之后，优先数领先的进程如何优先？ 答：仍然依次出队，但级别低者送入等待队列！,21,3. 进程的组成,讨论： 一个进程如何被识别和管理？ 用一张特殊的表来记录其有关信息和状态。 在进程刚创建时建表，当进程消亡时撤表（free）， 这张表叫做PCB（Process Control Block，进程控制块）。 有多少进程就有多少张PCB表，它是进程存在的唯一标志。,由程序、数据集和进程控制块

11、（PCB）3部分组成,22,一种基本的进程控制块PCB格式如下（含4类信息）：,23,将相同状态（就绪、运行或等待）的PCB链接成队列，则可编制控制软件了。,24,小结进程概念,进程的组成由程序、数据集和进程控制块3部分组成。 进程的属性动态性、并发性、3基态、 多个不同进程可包含同一程序 每个瞬间位于运行态的进程只可能有一个； 任何时刻、任何进程都处于且仅处于某一个状态； PCB是进程存在的唯一标志； PCB包含信息有4类：标识、说明、管理、现场信息 进程调度算法：4种（对就绪队列而言） 先来先服务、优先数调度、时间片轮转、分级调度,25,4、进程之间的通信,1）进程之间有必要通信么？ 答：

12、有，多道程序并发交叉运行时必须协调！ 请注意：进程之间有同步和互斥的情况，都是因为涉及到临界区和临界资源。,临界资源一次只允许一个进程使用的资源。 临界区在进程中访问临界资源的那段程序代码。 （它是一个在并发进程中与共享变量有关的程序段）,26,解释几个术语：,当若干进程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个进程去使用，其他要使用该资源的进程必须等待，直到占用资源者释放了该资源。(资源排它性使用：如打印机) 指并发进程之间存在一种制约关系，一个进程的执行依赖另一个进程的消息，当一个进程没有得到另一个进程的消息时应当等待，直到消息到达时才被唤醒。(时序) 若进程A专门向缓冲区输入数据，而

13、进程B专门从缓冲区取出数据。则A一个也不放入时，B将无数据可取；B若迟迟不取走，让缓冲区满，则A无法再放入。 进程的互斥是进程间竞争共享资源的使用权，这种竞争没有固定的必然关系；而进程同步时，涉及到共享资源的并发进程之间有一种必然的依赖关系。,进程互斥： 进程同步： 进程的同 步性关系： 互斥和同步的区别：,27,2）怎样实现进程间的通信？ 解决进程同步与互斥的工具,答：用一种特殊的方法PV操作 定义两种操作（函数）：P（S）和V（S） 其中S表示公用信号量。,请注意这种操作的特点是“不可中断的过程”，所以又称“原语”，即P操作原语和V操作原语。,构思巧妙，简洁明快， 简称P、V操作,28,P

14、（S）的过程如下：,S值减1； 若S0，将当前进程置于等待态，并将该进程排入等待S的队列； 若S0，则当前进程继续执行。,V（S）的过程如下：,S值加1； 若S0，从等待S的队列中移出一个进程并加入到就绪队列，当前进程继续执行； 若S0，则当前进程继续执行。,问：在进程状态转换过程中，可能会引起进程阻塞的原因是执行（）。 （1）P操作 （2）V操作,29,3） 怎样用P、V操作实现进程互斥？,在任一进程进入临界区前先调用一次P操作，在执行完临界区的操作退出时再调用一次V操作,而且都用同一个公用信号变量S（S的初值为1）。这样就可以实现进程的互斥。,解决互斥问题的“窍门”： P、V操作用同一个信

15、号灯S，并令S初值1（资源的数目）,30,例1：请写出两个进程使用一个打印机的信号灯P、V操作。,P1的临界区操作 P（S）;/申请一资源 打印1 V（S）；/释放一资源,P2的临界区操作 P（S）; 打印2 V（S）；,解：令初值S1（表示临界资源为1个)，2个进程依次进入就绪队列,S=S-1； / P操作(申请一资源) if S0wait/置该进程为阻塞状态（因无可用资源） else go on / S0,S=S+1； / V操作(释放一资源) if S0waitready; go on /从阻塞状态唤醒一个进程，插入就绪队列 elsego on / S0,31,例2：两个进程共用一个临界

16、资源，用互斥信号灯实现这两个进程互斥时，该互斥信号灯可能的取值有哪几个？并说明每个取值的意义。,答：互斥情况下信号灯S的取值只有1 ，0和1三种情况。 S=1表示没有进程进入临界区；（仅有一个公共资源） S=0表示有一个进程进入临界区； S=1表示一个进程进入临界区，另一个进程在等待。 即：S0表示某资源的可用数，S0其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数,32,4）怎样用P、V操作实现进程同步？,在任一进程进入临界区前先调用一次P操作，在执行完临界区的操作退出时再调用一次V操作。 但要使用两个不同的公用信号变量SP和SG（SP的初值不能为0，而SG的初值为0）。这样就可以实现进程的同步。,

17、解决同步问题的“窍门”： P、V操作使用2个信号灯SP和SG，令缓冲区空闲初值SP0， 缓冲区产品数SG0,33,例1：P1为生产者，P2为消费者，依次进入就绪队列，希望实现一进一出（同步）。,P1的生产操作 P1：生产产品； P（SP）； 将产品放入缓冲区； V（SG）； goto P1;,P2的临界区操作 P2: P（SG）； 从缓冲区取走产品; V（SP）； 消费产品; goto P2;,实际效果预测： P1若不放入1个产品，P2就只能等待，无法取产品； 反之，若缓冲区已放满，则P2若不取走一个产品，P1就只能等待，无法放产品。,34,S=S-1； / P操作 if S0wait els

18、e go on / S0,S=S+1； / V操作 if S0waitready; go on elsego on / S0,缓冲区长度初值应SP0，依题意取SP=1； 缓冲区产品数SG0,P1的生产操作 P1：生产产品； P（SP）；/申请一空闲区 将产品放入缓冲区； V（SG）；/释放一资源，表有货可取 goto P1;,P2的临界区操作 P2: P（SG）； 从缓冲区取走产品; V（SP）； 消费产品; goto P2;,35,问：进程的互斥与同步有什么区别？他们之间又有什么共同之处？,答： 区别：进程的互斥是排它性，而同步是依赖性，是制约关系 共同之处：目的都是为了合理地共享资源。,进

19、程的互斥是进程间竞争共享资源的使用权，这种竞争没有固定的必然关系； 而进程同步时，涉及到共享资源的并发进程之间有一种必然的依赖关系。,36,P、V操作要点：, 一定是成对出现（占用资源和释放资源）； P（S）和V（S）的调用一定紧挨着临界区的前后； 互斥只要设置一个信号灯（且S初值为1）；而同步要设置2个信号灯（及以上）；可以接收的信号灯SP初值大于0，表示有空位；而SG初值0，表示无货可取。,P、V操作是否完美无缺？,37,5） 死锁,死锁的定义：在操作系统中，如果若干个进程彼此等待对方所拥有且不会释放的资源，从而会处于互相等待的状态，这种情况称为 死锁 。 产生的原因： 一是系统资源不足；

20、 二是进程推进的顺序不当。,对付死锁的策略有2类： 死锁的检测与修复有死锁时或终止进程，或抢夺资源 死锁的预防与避免保证系统不会发生死锁,哪种方法所付出的代价更大？,38,五、典型操作系统处理机管理的特点,1. DOS操作系统的CPU管理特点,特点：DOS是单用户单任务系统，所以没有作业调度，永远只有一个作业在内存运行，只有作业控制能力，没有多进程并发的概念。,2. Windows操作系统的CPU管理特点,特点：单用户多道技术和图形用户界面，可用鼠标来控制。 注：DOS界面是字符型，只能用命令方式来控制。,39,从作业管理的角度讲，Windows运用了以下人机交互的技术： 多窗口技术能同时看到多任务的执行，但只有一个活