三级《数据库技术》03-操作系统.ppt

1、内容简介： 从程序的角度 数据结构 算法 从资源管理的角度 处理机（进程）管理 存储器管理 文件管理 设备管理 用户接口,第 3 部分 操作系统,操作系统的概念、作用、功能,操作系统的概念 操作系统是计算机系统中的一个最基本的系统软件，它由一系列程序模块组成。从资源的角度看，操作系统管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机的工作流程，从而提高系统资源的利用率。 操作系统的作用 管理系统资源 提供良好用户界面 操作系统的功能 处理机（进程）管理 存储器管理 文件管理 设备管理 用户接口,操作系统的特征、分类,操作系统的特征 并发性 共享性 随机性 操作系统的分类 批处理系统：(1

2、)成批，(2)多道。目标：提高机器的使用效率，增加作业吞吐量。 分时系统：多路性，独立性，交互性，及时性。目标：用户响应的及时性 实时系统：实时性，高可靠性 个人操作系统：方便友好的用户接口，丰富功能的文件系统 网络操作系统：网络管理、通信、资源共享、系统安全等 分布式系统：统一操作系统，多机合作，系统重构，健壮，容错能力 嵌入式系统：高可靠性，实时性，低功耗，智能化管理,操作系统的接口、结构,操作系统的接口 操作员：操作命令 程序员：系统调用 操作系统的结构 整体结构 层次结构 客户/服务器（微内核）结构,操作系统的硬件环境,特权指令 只允许操作系统使用 设置程序状态字、设置中断屏蔽，启动I

3、/O、设置时钟、清内存、置中断向量等 CPU的状态： 管态、目态 程序状态字PSW 存储体系：高速缓存，内存，外存 中断技术 强迫中断：非有意识安排的中断，如IO中断、硬件故障中断、时钟中断等 自愿性中断：正在运行的程序有意识安排的中断，如编程中设置的中断。 中断优先级：系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，由硬件将中断源分为不同的级别，称为中断优先级。 中断屏蔽： 中断的处理过程：保护被中断的程序的现场；分析中断原因；转去执行相应的中断处理程序；恢复现场继续执行原来被中断的程序。,I/O控制方式,循环测试方式 中断处理方式 DMA方式 通道方式,进程的概念,为了描述程序执行过程的“走走停停

4、”，引入了进程。 一个程序在一个数据集上的一次执行。 进程是动态的。 进程和程序的联系和区别： 一个程序可以对应多个进程。 程序是静态的，进程是动态的。 可重入程序（纯代码）：执行过程中不变的代码。,进程的特性,并发性：系统中同时存在着若干进程。 动态性：进程状态不断变化。 独立性：进程是分配资源的独立单位。 交往性：与其它进程交换信息。 异步性：以不可预知的速度向前推进。 结构性：一个进程包括三个部分：程序，数据，进程控制块。,进程控制块（PCB）,定义：描述进程外部特性的数据结构。 内容： 标识信息：进程标识符；特征；当前状态。 说明信息：拥有资源和等待资源。内存地址、I/O设备、外存、数

5、据区等。 管理信息：进程优先数；队列指针。 现场信息：记录进程释放处理机时的现场信息，PSW、通用寄存器等。 作用：PCB是进程存在的唯一标志。进程的动态、并发特性通过PCB表现出来。,进程状态及其转换,进程基本状态 就绪：拥有了除CPU之外的所有资源。 运行：进程在CPU上运行。 等待：进程等待某事件发生，如：读磁盘，打印、读文件等等。 进程状态之间的转换 创建一个进程时，进程处于就绪状态。 随着拥有（或等待）的资源不同，进程在不同的状态下转换。 进程的整个生命周期就是在不同的状态转换中。,就绪,运行,等待,创建,撤消,进程调度,时间片到； 更高优先级进程,事件已发生,等待某事件,进程状态及

6、其转换,注意： 1、进程的三个基本状态。 2、什么事件可以导致进程状态之间的转换。 3、一个进程的状态转换可能引起其它进程的状态转换。例如：一个进程从运行等待，就会有另一个进程从就绪运行。 4、哪些状态的转换是可能的，哪些是不可能的。如：等待运行（）。 5、一个完整的进程由程序、数据、进程控制快组成。进程的任何状态变化都在PCB之中反映出来。,进程状态及其转换,进程队列,处在就绪状态和等待状态的进程不止一个。（但在任一时刻，处在运行状态的进程最多只有一个）。 引起进程状态变化的原因也很多。 如何组织、管理这些进程？ PCB中有一个连接指针，用于组织PCB。 就绪队列、等待队列、运行队列。 根据

7、等待的事件不同，可以组织多个等待队列。,进程控制,1、进程控制的内容：创建进程，撤消进程，挂起进程，阻塞进程，唤醒进程等等。 2、原语：为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序。 特点：不可中断。也称做“原子操作”。 3、用于进程控制的原语： 创建原语 撤消原语 唤醒原语 阻塞原语,进程调度,从就绪队列中按一定的策略选择一个进程，使其占有处理机。 进程调度的时机 正在运行的进程运行完毕。 正在执行的进程被阻塞，加入等待队列 时间片到 高优先级的进程进入就绪队列 进程调度的算法 先来先服务法 时间片轮转法（RR） 最高优先级调度算法 多级队列反馈调度法,先来先服务法,根据进程到达就绪队列的次序，

8、总是选择先到达的进程运行。 优点：公平性；管理简单。 由于进程到达的随机性，可能使系统中的短作业等待时间长。,时间片轮转法（RR）,时间片：系统允许进程一次使用处理机的最长时间。 回忆：分时系统的工作原理。 工作原理：就绪队列中的进程，每次最多使用一个时间片。 硬件支持：计时器。时间片到，发生“计时中断”。 问题：时间片的大小如何确定？ 就绪队列长短：越长，时间片越短。 响应时间的要求 计算机的性能 进程切换的系统开销：一个进程让出处理机，另一个进程占有处理机。,最高优先级调度算法,优先级的概念 优先数和优先级的区别 总是从就绪队列中选择优先级最高的进程。 问题1：优先级如何确定？ 进程类别：

9、系统进程，用户进程，前台，后台等 进程运行时间 作业的优先级等 问题2：当一个更高优先级的进程到达就绪队列时，如何处理？ 抢占式 非抢占式：一旦分配CPU，就一直占用，直到主动放弃为止。 问题3：如果一个低优先级的进程在就绪队列中等待太长时间？ 动态优先数：进程的优先级随系统情况不断变化,多级队列反馈算法,先来先服务、时间片轮转与优先数结合。 按优先级将作业排成不同的队列，有不同时间片。 先按优先级调度，优先级相同的第n级按时间片轮转，其它按先来先服务调度。 优先级的调整 时间片到：降低 等待进程被唤醒：加入相同优先级队列,进程同步与互斥,临界资源：同一时间只能被一个进程使用。 临界区：并发进

10、程中与临界资源有关的程序段。 相关临界区：并发进程中涉及相同变量的那些临界区 相关临界区的三个管理要求 某一时刻最多只有一个进程进入临界区。 如果一个进程请求进入临界区，必须在有限的时间内进入。 一个进入临界区的进程，要在有限的时间内退出。 进程互斥 当若干进程都要使用某个共享资源时，任何时刻只允许一个进程去使用该资源，其他要使用的进程必须等待，直到该资源的占用者释放了资源。 进程同步 进程之间一种直接的协同工作关系，它们之间互为条件，通过相互发送消息来实现合作。 同步机制：把其他进程需要的消息发出去，也能测试自己需要的消息是否到达。,信号量与PV原语,信号量：一个整数值，其值表示资源数目。

11、0：可用资源的数量 =0 继续；若信号量0 进程阻塞。 V原语：物理含义：释放一份资源。定义： （1）信号量减1 （2）如果信号量=0，唤醒等待进程，否则，继续运行。,进程通信,进程通信：进程之间的信息交换。也称“高级通信”。 低级通信：进程之间传递控制信息。同步与互斥。 进程通信的方案 共享内存 消息机制 消息缓冲机制 信箱通信 管道 基础：文件系统 FIFO 高级通信原语 Send( ) Receive( ),进程死锁,死锁的概念 死锁产生的原因 资源分配不合理 进程推进速度不合理 死锁的必要条件 资源的互斥使用 资源的不可抢占 占有并等待（资源的部分分配） 资源的循环等待 死锁预防 打破

12、死锁的必要条件之一 静态分配，剥夺资源，按序分配 死锁避免 安全状态 银行家算法 死锁检测与解除 资源分配图 绘制方法 检测是否存在死锁,存储器管理,存储器管理的功能 内存的分配和回收 地址变换 内存共享与保护 内存扩充 地址映射 静态地址映射 动态地址映射 内存扩充技术 覆盖技术 交换技术,可变分区存储管理,基本原理 在作业要求装入主存时，根据作业的大小从空闲内存区中“切出”一片连续的区域 分区的大小和个数是不确定的 初始时，系统中只有一个连续的用户区域，随着作业的到达和撤消，用户区就被划分为若干个大小不等的区域。 内存分配算法 最先适应 最优适应 最坏适应 内存回收 上空闲区和下空闲区 四

13、种情况，空闲区的变化 内存保护策略 基址寄存器、限长寄存器 碎片问题 移动技术,页式存储管理,基本原理 “等分”内存。 把内存划分为大小相同的“块”。 把用户作业空间划分为大小相同的“页”。 页和块的大小相同。 在把作业加载到内存时，页和页之间不再连续。 但页内连续。 也不必把所有的页都一次性加载内存，只需要加载那些马上要用到的页。其余的页在需要时再加载。 地址变换 逻辑地址：页号+页内地址 页表，两次访问内存 快表 多级页表 内存分配 位示图 空闲页面表 空闲页面链表,虚拟页式存储管理,虚拟存储技术的理论基础原理 局部性原理：进程往往会不均匀地高度局部化地访问内存。 时间局部性：刚刚被访问的

14、页，很可能在不久的将来还要访问。例如：循环；子程序；栈；用户记数和总计的变量等。 空间局部性：某个页面被访问，很可能它相临的页也要被访问。例如：数组遍历；代码程序的执行；等等。 页表扩充 驻留位（中断位），访问位，修改位，保护位，禁止缓存位 缺页中断,虚拟页式存储管理,页面淘汰算法 OPT（最优） FIFO（先进先出） LRU（最近最久未使用） LFU（最近最少使用） 缺页中断率 页面数 页的大小 编程方法 页面淘汰算法 颠簸（抖动）问题,虚拟页式存储管理,例1：引入虚拟存储技术的前提是： A）存储共享目的 B）存储保护目的 C）存储访问的局部性原理 D）多道程序设计思想 【分析】虚拟技术的理

15、论基础是程序执行的局部性 【答案】 C 例2：下列哪一个不是引起系统发生抖动的原因？ A）页面尺寸过大 B）页面尺寸过小 C）程序编制不合理 D）页面淘汰算法不合理 【分析】引起系统发生抖动的原因：页面数，页的大小，编程方法，页面淘汰算法 【答案】 A,文件管理,文件概念 命名了的数据项的集合。 每一个文件都有一个唯一的文件名。 对文件实现“按名存取”。 文件的分类 文件的结构 逻辑结构：流式文件，记录式文件 物理结构：顺序，索引，链接，Hash结构，索引顺序 UNIX的三级索引结构 文件的存储介质 “块”的概念 顺序存取设备：磁带 随机存取设备：磁盘 物理地址：柱面号，磁头号，扇区号 按柱面

16、存放 块号与物理地址的转换,文件目录,实现“按名存取”的手段 文件控制块（FCB） 树型目录结构 路径 当前目录 目录的改进 名号目录项：文件名，文件内部号 基本目录项 减少访问磁盘的次数，提高文件目录检索速度 例题：下列哪一项与文件的物理结构有关？ A）文件长度 B）用户对文件的存取方式 C）文件中的记录个数 D）文件目录的结构 【分析】文件的物理结构由存储介质的性质和用户的使用方式决定 【答案】 B,文件的操作,用系统调用实现 建立文件：create(文件名，参数表) 打开文件：open(文件名，参数表) 读文件：read(文件名，记录键，内存位置) 写文件：write(文件名，记录键，内

17、存位置) 关闭文件：close(文件名) 撤消文件：delete(文件名) 指针定位：seek（fd，新指针位置）,文件系统的实现,存储空间的管理 位示图 块号与字号、位号之间的关系 空闲块表 空闲块链 单链 成组链 实现文件系统的表目 系统打开文件表 用户打开文件表 PCB指向用户打开文件表 记录的成组与分解 硬件支持：内存缓冲区 块因子 记录分解的过程,文件系统的安全与性能,文件系统的安全 备份 存取控制表 UNIX的存取控制表：三类用户，三种权限 用ls-l命令列目录的结果的含义 drwxr-xr- 4 user wheel 512 chmod命令 口令 密码 文件系统的性能 文件系统的

18、物理基础：磁盘设备 块高速缓存 合理分配磁盘空间：按柱面存放 磁盘的驱动调度 信息的优化分布 磁盘读/写的过程：读时间、处理时间 在处理记录时，磁盘继续旋转,设备管理,设备分类 存储设备，输入输出设备 块设备，字符设备 独占设备，共享设备，虚拟设备 设备管理的目标 为用户提供一个透明的接口，把用户和硬件的物理特性分开（设备无关性）。 提高设备与设备之间、设备与CPU之间的并行程度 设备的分配和回收 设备管理的功能 进行设备的分配和回收。 缓冲区管理。解决设备和CPU速度不匹配的问题。 设备驱动，实现I/O操作。 外部设备中断处理。 虚拟设备及其实现,通道技术,通道：是一个独立于CPU的、专门管

19、理I/O的处理机。它控制设备直接与内存进行数据交换。 通道有自己的通道指令，这些通道指令组成通道程序。通道通过执行通道程序来控制设备的操作。 通道分类： 字节多路通道：连接慢速设备；轮转方式同时控制多台设备工作。 成组多路通道：连接中速设备（磁带）。 选择通道：连接高速设备。 通道的连接 通道、控制器、设备 交叉连接 通道的工作原理 通道命令字（CCW） 通道地址字（CAW） 通道状态字（CSW）,通道的工作过程,CPU 通道,根据用户的请求 和设备特点准备通道程序,向通道发“启动I/O”命令,调度进程运行,有中断吗？,Y,N,接收启动命令,执行通道程序,执行完？,置通道状态字（CSW）,发中

20、断信号,Y,N,缓冲技术,设备管理中的问题 CPU速度与设备速度不匹配的问题。 传输大量数据时中断次数太多。 DMA或通道的“瓶颈”问题。 缓冲的实现方法 专用硬件缓冲器。 软件缓冲：在内存中划出若干专用区域。 专用缓冲区。 共享缓冲区。 缓冲的种类 单缓冲：匹配了速度，但不能并行。 双缓冲：既解决了速度匹配，又可以并行。当设备很多时，实现起来很困难。 多缓冲：系统中有多个缓冲区，一些专门用于输入，另一些专门用于输出。 缓冲池：多个进程共享，既可以做输入，又可以做输出。,虚拟设备spooling技术,同时外围设备联机操作（Simultaneous Peripheral Operation On Line） 提高独占设备的利用率。 把一台独占设备模拟成共享设备的技术。 硬件支持：大容量、高速度的存储设备的支持。 为用户进程分配的是外存上的固定区域，而不是设备本身。 Spooling系统的组成 预输