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1、操操 作作 系系 统统 原原 理理武汉大学计算机多媒体课程武汉大学计算机多媒体课程1、操作系统原理操作系统原理教材教材2、操作系统原理实验大纲操作系统原理实验大纲指导教指导教材材3、操作系统课件操作系统课件多媒体教案多媒体教案 课程使用的媒体课程使用的媒体一、一、操作系统的有关概念操作系统的有关概念二、进程管理二、进程管理三、存储器管理三、存储器管理l计算机发展简史计算机发展简史l操作系统的发展过程操作系统的发展过程计算机发展简史 按硬件发展划分为四代。按硬件发展划分为四代。对对计算规律的模拟计算规律的模拟存储程序式计算机存储程序式计算机存储程序式计算机模型存储程序式计算机模型l存存储储程程序
2、序式式计计算算机机模模型型的的基基本本方方案案是是，如如要要使使计计算算机机能能够够自自动动地地计计算算，必必须须有有一一个个存存储储器器用用来来存存储储程程序序和和数数据据；同同时时要要有有一一个个运运算算器器，用用以以执执行行指指定定的的操操作作；有有一一个个控控制制器器，以以便便实实现现自自动动操操作作；另另外外，辅辅以以输输入入/输输出出部部件件，以以便便输输入入原原始始数数据据和和输输出出计计算算结结果果。于于是是形形成成了了现现代代计计算算机机的的基基本本组组成成形形式式。如图如图1.1所示。所示。图图1.1 存储程序计算机的组成存储程序计算机的组成 操作系统的发展过程 按按技技术
3、术发发展展与与分分支支划划分类别分类别操作系统的类型 早期批处理早期批处理执行系统执行系统多道成批系统多道成批系统 分时、实时系统、个人机系统分时、实时系统、个人机系统 多处理机、分布式系统多处理机、分布式系统无操作系统的计算机无操作系统的计算机l从第一代计算机诞生到从第一代计算机诞生到20世纪世纪50年代中期还未出现年代中期还未出现操作系统，这时的计算机采用人工操作方式。其过操作系统，这时的计算机采用人工操作方式。其过程是：程是：图图1.2 手工操作计算机手工操作计算机单道批处理系统与多道批处理单道批处理系统与多道批处理系统及执行系统系统及执行系统l所所谓谓批批处处理理系系统统是是指指加加载
4、载在在计计算算机机上上的的一一个个系系统统软软件件，在在它它的的控控制制下下，计计算算机机能能够够自自动动地地成成批批地地处处理理一个或多个用户的作业。一个或多个用户的作业。l首先出现的是联机批处理系统。如下图所示。首先出现的是联机批处理系统。如下图所示。脱离主机控制的输入脱离主机控制的输入/输出批处输出批处理系统理系统 l在在外外设设处处理理数数据据时时，主主机机处处理理“忙忙等等”状状态态，这这样样高高速速的的主主机机与与慢慢速速的的外外设设矛矛盾盾就就显显现现出出来来。为为了了克克服服与与缓缓解解主主机机与与外外设设的的矛矛盾盾。我我们们引引入入脱脱机机批批处处理理系系统统，即即脱脱离离
5、主主机机控控制制的的输输入入/输输出出批批处处理理系系统统。如图如图1.4所示。所示。图图1.4 脱机批处理系统脱机批处理系统l在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，中断和通道在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，中断和通道技术出现以后，虽然可以实现输入技术出现以后，虽然可以实现输入/输出设备与中央处理机输出设备与中央处理机并行操作，但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不并行操作，但由于属于同一道作业的可并发执行的进程不多，大多数进程是有同步关系的，这使系统中仍有较多的多，大多数进程是有同步关系的，这使系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的空闲资源，致使系统的
6、性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统对作业的吞吐量，在利用率和系统对作业的吞吐量，在60年代中期，引入了多年代中期，引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。单道程道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统。单道程序与多道程序的执行过程如图序与多道程序的执行过程如图1.5和图和图1.6所示。所示。在操作系统中引入多道程序设计技在操作系统中引入多道程序设计技术以后，会使系统具有以下特征。术以后，会使系统具有以下特征。l（1）多道性）多道性 l（2）无序性）无序性 l（3）宏观上并行、微观上串行）宏观上并行、微观上串行 l（4）调度性）调度性 分时系统分时系统l分分时时技技术术是是
7、把把处处理理机机的的时时间间分分成成很很短短的的时时间间片片，这这些些时时间间片片轮轮流流地地分分配配给给各各个个联联机机的的各各作作业业使使用用。如如果果某某作作业业在在分分配配给给它它的的时时间间片片用用完完时时仍仍未未完完成成，则则该该作作业业就就暂暂时时中中断断，等等待待下下一一轮轮运运行行，并并把把处处理理机机的的控控制制权权让让给给另另一一个个作作业业使使用用。这这样样在在一一个个相相对对较较短短的的时时间间间间隔隔内内，每每个个用用户户作作业业都都能能得得到到快快速速响响应应，以实现人机交互。以实现人机交互。l分分时时系系统统与与多多道道批批处处理理系系统统相相比比，具具有有完完
8、全全不不同同的的特特征征，由由上上所所述述可可以以归归纳纳成成以以下下几点：几点：（1）多路性）多路性（2）独立性）独立性（3）及时性）及时性（4）交互性）交互性 l什么是操作系统什么是操作系统l操作系统的性质操作系统的性质 操作系统操作系统是控制和管理计是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行源、有效地组织多道程序运行的的系统软件系统软件(或或程序集合程序集合),),是用是用户与计算机之间的接口。户与计算机之间的接口。以下软件哪些是操作系统以下软件哪些是操作系统?UNIX Word DOS VB Office FoxPro Windows
9、98 Windows NT Linux PowerPoint以下软件是操作系统：以下软件是操作系统：UNIX DOS Linux Windows 98 Windows NT 设置设置OS的目的的目的l扩充机器功能，方便用户使用。扩充机器功能，方便用户使用。l提高系统效率。提高系统效率。操作系统的共同性质操作系统的共同性质1、从功能上看、从功能上看 具具有有五五大大功功能能-存存储储器器管管理理、处处理理机机管管理理、设设备备管管理理、文文件件管管理理、用用户接口户接口2、从层次、从层次上看上看 是是裸裸机机之之上上的的第第一一层层软软件件,为为其其他他软软件件的的建建立立和和运行提供基础。运行
10、提供基础。裸机裸机操作系统操作系统其他软件其他软件.用户用户1。4节节3、从服务、从服务上看上看 提提供供众众多多基基础础服服务务,方方便便用用户户使使用用,构构成成软软件平台。件平台。4、从内部特征上看、从内部特征上看-支持并发性支持并发性 -实现资源共享实现资源共享-完成进程的异步前进完成进程的异步前进以多道成批系统以多道成批系统为例为例l并发并发l共享共享l不确定性不确定性1.3 OS的服务功能的服务功能l程序执行程序执行lI/O操作操作l文件系统管理文件系统管理l出错检测出错检测l资源分配资源分配l统计统计l保护保护一一 系统调用系统调用l是是应用程序应用程序与与OS的接口的接口l进程
11、或作业控制：实现进程或作业的所有活动进程或作业控制：实现进程或作业的所有活动l文件管理和设备管理文件管理和设备管理l信息维护：用户与系统交互信息信息维护：用户与系统交互信息二二 系统程序系统程序l文件管理文件管理l状态信息状态信息l文件修改文件修改l程序设计语言支持程序设计语言支持l程序装入与执行程序装入与执行l工具性软件工具性软件l命令解释程序的实现方法命令解释程序的实现方法1.5操作系统逻辑结构设计 分分层层实实现现的的软软件件设设计计方法方法1.5操作系统逻辑结构设计l单块单块结构结构l层次结构层次结构:分层实现的软件设计方法分层实现的软件设计方法.l虚拟机虚拟机l客户客户/服务器模型服
12、务器模型:再用户进程方式下实现系统的多再用户进程方式下实现系统的多数功能数功能;核心只负责客户与服务器的通信核心只负责客户与服务器的通信;适用于适用于分布式系统分布式系统;注意对关键基础服务的处理注意对关键基础服务的处理.1。8 UNIX系统的特点和结构系统的特点和结构lUNIX的主要特点的主要特点lUNIX系统结构系统结构lUNIX系统核心结构系统核心结构一、操作系统的有关概念一、操作系统的有关概念二、二、进程管理进程管理三、存储器管理三、存储器管理进程概念进程概念程序的顺序执行程序的顺序执行与并发执行与并发执行程序的顺序执行程序的顺序执行概念概念一一个个程程序序由由若若干干个个程程序序段段
13、组组成成，而而这这些些程程序序段段的的执执行行必必须是顺序的，这种程序执行的方式就称为程序的顺序执行。须是顺序的，这种程序执行的方式就称为程序的顺序执行。例如：例如：程序顺序执行的特点程序顺序执行的特点1 1 顺序性顺序性处理机严格按照程序所规定的顺序执行，即每个操作必须在下一个操作开始之前结束。2 2 封闭性封闭性程序一旦开始执行，其计算结果不受外界的影响，当程序的初始条件给定之后，其后的状态只能由程序本身确定，即只有本程序才能改变它。程序顺序执行的特点（续）程序顺序执行的特点（续）3 3 可再现性可再现性程序执行的结果与初始条件有关，而与执行时间无关。即只要程序的初始条件相同，它的执行结果
14、是相同的，不论它在什么时间执行，也不管计算机的运行速度。O=f(I),f是与时间无关的函数程序的并发执行程序的并发执行例：例：在在系系统统中中有有n n个个作作业业，每每个个作作业业都都有有三三个个处处理理步步骤骤，输输入入数数据据、处处理理、输输出出，即即I Ii i,C,Ci i,P,Pi i(i=1,2,3,.,n)(i=1,2,3,.,n)。这这些些作作业业系系统统中中执执行行时时是是对对时时间间的的偏偏序序，有有些些操操作作必必须须在在其其它它操操作作之之前前执执行行，这这是是有有序的，但有些操作是可以同时执行的。序的，但有些操作是可以同时执行的。程序的并发执行程序的并发执行例如：例
15、如：P1P1与与I2I2，C1C1与与I2,I3I2,I3与与P1P1是可以同时执是可以同时执行的。行的。I1I1、C1C1、P1P1的执行必的执行必须严格按照须严格按照I1I1，C1C1，P1P1的的顺序。顺序。I1I1、I2I2、I3I3、I4I4轮流使用同一输入设备。轮流使用同一输入设备。时时间间资源资源程序的并发执行定义程序的并发执行定义若若干干个个程程序序段段同同时时在在系系统统中中运运行行，这这些些程程序序的的执执行行在在时时间间上上是是重重迭迭的的，一一个个程程序序段段的的执执行行尚尚未未结结束束，另另一一个个程程序序段段的的执执行行已已经经开开始始，即即使使这这种种重重迭迭是很
16、小的，也称这几个程序段是并发执行的。是很小的，也称这几个程序段是并发执行的。程序的并发执行分析程序的并发执行分析优点：优点：程序的并发执行程序的并发执行提高了资源的利用率提高了资源的利用率。注意有限制规则：注意有限制规则：同同一一作作业业的的处处理理步步骤骤的的执执行行必必须须严严格格按按照照规规定定的的顺序顺序；同同一一独独占占资资源源上上的的不不同同作作业业的的处处理理步步骤骤不不能能同时同时执行。执行。程序的顺序执行与并发执行程序的顺序执行与并发执行假假设设有有一一个个程程序序 由由 S0S0 Sn+1Sn+1个个语语句句，先先顺顺序序执执行行S0S0，然然后后并并发发执执行行 S1S1
17、SnSn语语句句，最最 后后 顺顺 序序 执执 行行Sn+1 Sn+1。程序并发执行的特点程序并发执行的特点一一、失失去去了了程程序序的的封闭性封闭性程序程序A程序程序Bn:=0;打印打印nn:=n+1;K1K2S如果程序执行如果程序执行的结果是一个与时的结果是一个与时间无关的函数，即间无关的函数，即具有具有封闭性封闭性。程序程序B打印打印0程序程序B打印打印1程序并发执行的特点程序并发执行的特点二、程序与计算不再一一对应二、程序与计算不再一一对应在在程程序序顺顺序序执执行行时时，一一个个程程序序总总是是对对应应一一个个具具体体的的计计算算，但但在在程程序序的的并并发发执执行行时时，可可能能有
18、有多多用用户户共共享享使使用用同同一一个个程程序序，但但处处理理（计计算算）的的对对象象却却是是不不同同的的，例例如如，在在多多用用户户环环境境下下，可可能能同同时时有有多多个个用用户户调调用用C C语语言言的的编编译译程程序序，这这就就是是典典型型的的一一个个程程序序对对应应多多个用户源程序的情况。个用户源程序的情况。程序并发执行的特点程序并发执行的特点程序与计算不再一一对应示例程序与计算不再一一对应示例程序程序A程序程序BCall CCall C程序程序C程序程序A和和B在执行过程中都调用了程序在执行过程中都调用了程序C 程序并发执行的特点程序并发执行的特点三、程序并发执行可以相互制约三、
19、程序并发执行可以相互制约在在多多道道程程序序设设计计的的环环境境下下，程程序序是是并并发发执执行行的的。即即系系统统中中有有多多道道程程序序在在“同同时时”执执行行，这这些些程程序序之之间间要要共共享享系系统统的的资资源源，程程序序之之间间有有合合作作（通通信信）的的关关系系。合合作作与与竞竞争争产产生生一一系系列列的的矛矛盾盾，这这些些矛矛盾盾实实际际上上是是一一种种相相互互制制约，有直接的，也有间接。约，有直接的，也有间接。注注意意区区别别不不能能同同时时与与有有先先后后次次序序两两种种制制约约。程序并发执行的特点程序并发执行的特点程序并发执行的相互制约示例程序并发执行的相互制约示例并发活
20、动并发活动进程的引人进程的引人l操操作作系系统统的的特特性性之之一一是是并并发发与与共共享享，即即在在系系统统中中（内内存存）同同时时存存在在几几个个相相互互独独立立的的程程序序，这这些些程程序序在在系系统统中中既既交交叉叉地地运运行行，又又要要共共享享系系统统中中的的资资源源，这这就就会会引引起起一一系系列列的的问问题题，包包括括：对对资资源源的的竞竞争争、运行程序之间的通信、程序之间的合作与协同等符。运行程序之间的通信、程序之间的合作与协同等符。l要要解解决决这这些些问问题题，用用程程序序的的概概念念已已经经不不能能描描述述程程序序在内存中运行的状态，必须引人新的概念进程在内存中运行的状态
21、，必须引人新的概念进程。进程的定义进程的定义l行行为为的的一一个个规规则则叫叫做做程程序序，程程序序在在处处理理机机上上执执行行时时所发生的活动称为进程所发生的活动称为进程（DijkstraDijkstra)。l进进程程是是这这样样的的计计算算部部分分，它它是是可可以以和和其其它它计计算算并并行行的一个计算。的一个计算。(Donovan)(Donovan)l进进程程（有有时时称称为为任任务务）是是一一个个程程序序与与其其数数据据一一道道通通过处理机的执行所发生的活动。（过处理机的执行所发生的活动。（Alan.C.Shaw)Alan.C.Shaw)l进进程程是是执执行行中中的的程程序序。（Ken
22、 Ken Thompson Thompson and and Dennis Ritchie)Dennis Ritchie)l进程，即是程序在并发环境中的执行过程进程，即是程序在并发环境中的执行过程 。进程与程序的区别（进程与程序的区别（1 1）l l进程是动态概念；程序是静态概念进程是动态概念；程序是静态概念l l进程具有并发性，宏观上同时运行；程序本进程具有并发性，宏观上同时运行；程序本身具有顺序性，程序的并发执行是通过进程身具有顺序性，程序的并发执行是通过进程实现的实现的l l进程具有独立性，是一个能独立运行的单位，进程具有独立性，是一个能独立运行的单位，是系统资源分配的基本单位，是运行调
23、度的是系统资源分配的基本单位，是运行调度的基本单位；程序本身没有此特性基本单位；程序本身没有此特性进程与程序的区别（进程与程序的区别（2 2）l l进程和程序无一一对应关系，一个进程可顺序进程和程序无一一对应关系，一个进程可顺序执行多个程序；一个程序可由多个进程共用执行多个程序；一个程序可由多个进程共用l l进程异步前进，会相互制约；程序不具备此特进程异步前进，会相互制约；程序不具备此特性性l l进程实体具有一定结构，组成进程映象；程序进程实体具有一定结构，组成进程映象；程序没有这种结构没有这种结构进程与程序的区别示例进程与程序的区别示例例子：例子：光盘（CD、VCD、DVD）光盘（程序）-放
24、光盘的活动（进程）理解进程概念理解进程概念l进程的运行状态及其变迁进程的运行状态及其变迁l进程的组成进程的组成l进程映像进程映像l进程环境进程环境进程的运行状态及其变迁进程的运行状态及其变迁l进程在系统中的活动规律是：进程在系统中的活动规律是：执行执行-暂停暂停-执行执行l进程的运行状态反映进程的动态性。进程的运行状态反映进程的动态性。l进程的三种基本状态：进程的三种基本状态：l 运行状态运行状态l 就绪状态就绪状态l 封锁状态（又称不可运行、挂起）封锁状态（又称不可运行、挂起）进程的三种基本状态进程的三种基本状态l运行状态运行状态 ：进程得到进程得到CPUCPU控制权，它的程序控制权，它的程
25、序正在运行。（在系统中，总只有一个进程处正在运行。（在系统中，总只有一个进程处于此状态于此状态）l就绪状态就绪状态：已经准备就绪，一旦得到已经准备就绪，一旦得到CPUCPU，就立即可以运行。（有多个进程处于此状态）就立即可以运行。（有多个进程处于此状态）l封锁状态封锁状态：正在等待某个事件的发生（如等正在等待某个事件的发生（如等待待I/OI/O的完成），而暂停执行，这时，即使给的完成），而暂停执行，这时，即使给它它CPUCPU时间，它也无法执行。时间，它也无法执行。进程的状态变化进程的状态变化就绪就绪运行运行挂起挂起？PCB程序程序数据集合数据集合进程的组成进程的组成基本内容的确定基本内容的确
26、定?进程与进程与PCB的关系的关系l每个进程有唯一每个进程有唯一的的PCB l系系统统中中所所有有进进程程都都有有自自己己的的PCBl操作系统依据操作系统依据PCB管理进程管理进程进程进程与与PCB的关系的关系l操操作作系系统统利利用用PCB实实现现进进程程的动态和并发的动态和并发 lPCB是进程存在的唯一标志是进程存在的唯一标志Pcb表组织表组织ab-1pcb1N个个pcb2pcbiPcb-addr?空间大小空间大小?UNIX的进程映像的进程映像l进程状态进程状态l变迁关系变迁关系l进程映像：进程映像：PCB的实现、核心栈与的实现、核心栈与用户栈（图用户栈（图2-10 UNIX进程映像结进程
27、映像结构构）进程环境进程环境l用户级环境用户级环境l寄存器环境寄存器环境l系统级环境系统级环境1、进程与程序的区别、进程与程序的区别2、进程的组成、进程的组成3、进程的同步与互斥、进程的同步与互斥进程控制进程控制原语原语lFork()lWait(stat_addr)lExitlexec进程在活动中会相互制约进程在活动中会相互制约l所有进程都是相互独立所有进程都是相互独立的的 l进程以异步方式并发执行进程以异步方式并发执行同步同步 同同步步是是进进程程间间共共同同完完成成一一项项任任务务时时直直接接发发生生相相互互作用的关系作用的关系 同步进程间具有合作关系同步进程间具有合作关系 在在执执行行时
28、时间间上上必必须须按按一一定定的顺序协调进行的顺序协调进行互斥互斥 互互斥斥是是并并发发执执行行的的多多个个进进程程由由于于竞竞争争同同一一资资源源而产生的相互排斥的关系而产生的相互排斥的关系 互互斥斥进进程程彼彼此此在在逻逻辑辑上上是完全无关的是完全无关的 它它们们的的运运行行不不具具有有时时间间次序的特征次序的特征临界资源和临界区临界资源和临界区信号量信号量P、V操作操作临界资源临界资源 一一次次仅仅允允许许一一个个进进程程使使用用的的共享资源共享资源 如如：打打印印机机、内内存存单单元元、表表格格临界临界区区在在每每个个进进程程中中访访问问临临界界资资源源的那段程序的那段程序l 有限进入
29、原则有限进入原则l唯一原则唯一原则l有限离开原则有限离开原则进程间的通信进程间的通信临界资源和临界区临界资源和临界区信号量信号量P、V操作操作信号信号量量l 信号量是一种数据结构信号量是一种数据结构l 一般由两个成员组成：一般由两个成员组成：数值数值指针指针?信号信号量量l 一一般般说说来来，信信号号量量的的值值与与相相应应资源的使用情况有关资源的使用情况有关l 信号量的值仅信号量的值仅由由P、V操作改变操作改变进程间的通信进程间的通信临界资源和临界区临界资源和临界区信号量信号量P、V操作操作P、V操作都是原语操作都是原语P：申请一个单位资源（申请一个单位资源（P47）V：释放一个单位资源（释
30、放一个单位资源（P47）P操作操作P(s):若若S=0，继续继续取取s值减值减1V操作操作V(s):若若S0，继续继续取取s值加值加1用用P、V原语实现互斥原语实现互斥例：打印机分配例：打印机分配互斥信号量互斥信号量mutex（初值为初值为1）Pa为分配进程为分配进程Pb为释放进程为释放进程Pa：.P（mutex）分配打印机分配打印机（读写分配表）（读写分配表）V（mutex）.Pb：.P（mutex）释放打印机释放打印机（读写分配表）（读写分配表）V（mutex）.用用P、V原语实现简单同步原语实现简单同步例：供者和用者对单缓冲区的同步例：供者和用者对单缓冲区的同步信号量：信号量：S1缓冲区
31、空否（初值为缓冲区空否（初值为1）S2缓冲区满否（初值为缓冲区满否（初值为0）供者进程供者进程L1：P（S1）启动读卡机启动读卡机 收到输入结束中断收到输入结束中断 V（S2）goto L1 用者进程用者进程L2：P（S2）从缓冲区取出信息从缓冲区取出信息 V（S1）goto L2用用P、V原语实现同步原语实现同步设上例中缓冲区容量为设上例中缓冲区容量为n，分析信分析信号灯的设置与状态变化范围（生产号灯的设置与状态变化范围（生产者者-消费者问题消费者问题P49）其它进程通信方式其它进程通信方式l信号量集方式信号量集方式l管程管程l消息缓冲通信消息缓冲通信UNIX中的进程通信中的进程通信lSle
32、ep 和和wakeupl进程跟踪进程跟踪lS_5的的ipc:消息机制，共享内存，信号量。消息机制，共享内存，信号量。处理机管理l目标：提高CPU的有效运行时间l如何实现？根据CPU的特点和进程管理的需要来设计管理方法CPU资源的特点资源的特点l是一种时间资源是一种时间资源l具有唯一性与独占性具有唯一性与独占性l影响系统效率的关键因素影响系统效率的关键因素l进程运行的必备资源进程运行的必备资源CPU效率的影响因素效率的影响因素l并发并发总有请求总有请求CPU的进程的进程lCPU时间分片时间分片在效率与交互性上权衡在效率与交互性上权衡l现场交换代价现场交换代价只做必须做的工作只做必须做的工作处理机
33、的二级调度处理机的二级调度宏观作业调度：算法复杂、间隔长、宏观环境宏观作业调度：算法复杂、间隔长、宏观环境微观进程调度：算法简单、调度频繁、微观状态微观进程调度：算法简单、调度频繁、微观状态作业调度作业调度作业调度的主要任务是完成作业从后备状态到执行状作业调度的主要任务是完成作业从后备状态到执行状态和从执行状态到完成状态的转变。态和从执行状态到完成状态的转变。作业调度功能：作业调度功能：l记记录录已已进进入入系系统统的的各各作作业业的的情情况况（JCBJCB，Job Job Control BlockControl Block）；）；l按按一一定定的的调调度度算算法法，从从后后备备作作业业中中
34、选选择择一一个个或几个作业进入系统内存；或几个作业进入系统内存；l为为被被选选中中的的作作业业创创建建进进程程，并并且且为为其其申申请请系系统资源；统资源；l作业加束后作善后处理工作。作业加束后作善后处理工作。作业控制块（JCB）每个作业进入系统时由系统为其建立一个每个作业进入系统时由系统为其建立一个作业作业控制块控制块JCBJCB（Job Control Block)Job Control Block)，它是存放作业控制和它是存放作业控制和管理信息的数据结构，主要信息见下图。管理信息的数据结构，主要信息见下图。调度性能的衡量调度性能的衡量 作作业业调调度度算算法法规规定定了了从从后后备备作作
35、业业中中选选择择作作业业进进入入系系统统内内存存的的原原则则，这这些些原原则则的的性性能能如如何何，就就是是本节所讨论的问题。本节所讨论的问题。确定调度算法时应考虑的因素l应与系统的整体设计目标一致l考虑系统中各种资源的负载均匀l保证作业的执行l对一些专用资源的使用特性的考虑调度性能的衡量调度性能的衡量调度性能的衡量调度性能的衡量通常采用平均周转时间和带权平均周转时间作业的周转时间作业的周转时间：ti=tci-tsiti:作业周转时间tci：作业完成时间tsi:作业提交时间调度性能的衡量调度性能的衡量先来先服务调度先来先服务调度算法和短作业优先调度算法算法和短作业优先调度算法进程调度进程调度l
36、调度与进程控制和进程通信的功能有密切的联系，当一个进程阻塞时，这种进程将进入相应的等待队列中，并让出CPU，调用进程分派程序选择一个就绪进程占用CPU；当一进程被唤醒时，这种进程将插入到就绪进程队列中。l在一般的操作系统教材中把上述功能称为进程调度。调度调度/分派结构分派结构l处理机分配由调度和分派两个功能组成。处理机分配由调度和分派两个功能组成。l调度：组织和维护就绪进程队列。包括确定调度：组织和维护就绪进程队列。包括确定调度算法、按调度算法组织和维护就绪进程调度算法、按调度算法组织和维护就绪进程队列。队列。l分派：是指当处理机空闲时，从就绪队列队分派：是指当处理机空闲时，从就绪队列队首中移
37、一个首中移一个PCBPCB，并将该进程投入运行。并将该进程投入运行。调度调度/分派结构分派结构pcb1schedulersuspwakeupreceivepcb2pcb3pcb4dispatchercpuReady-qpcb5调度调度/分派结构分派结构pcb2schedulersuspwakeupreceivepcb5pcb3pcb4dispatchercpu分开分开Ready-qpcb1进程调度功能进程调度功能l保护现场保护现场l入就绪队列算法实现入就绪队列算法实现l处理机分派处理机分派l恢复现场恢复现场进程调度的功能进程调度的功能记记录录和和保保持持系系统统中中所所有有进进程程的的有有关关
38、情情况况和和状状态态特征特征 有关进程调度的信息是记录在PCB中的，在进程调度中用到的主要是进程的状态、调度优先级（优先数）、就绪进程队列等。进程调度的功能进程调度的功能决定分配（处理机）策略决定分配（处理机）策略确定进程调度的策略，例如，先来先服务、优先数调度策略，调度策略的不同，组织就绪进程队列的方式也不同。先来先服务调度策略，就绪队列要按等待时间大到小的顺序排队；优先数调度，则就绪进程队列要按优先数的升疗（或降序）的方式排队。等等。进程调度的功能进程调度的功能实施处理机的分配实施处理机的分配总而言之，进程调度包括：l调度算法的选择（调度算法）l调度时机的选择（调度时机）l实施进程调度（调
39、度程序）进程调度的功能进程调度的功能调度时机（调度时机（UNIXUNIX系统中）：系统中）：（1）进程自动放弃处理机：l当进程进入高低优先级睡眠状态时 （在sleep()程序中）；l在进程进入暂停状态时（在stop()程序中）；l进程进入僵死状态时 （在exit()程序中）；进程调度的功能进程调度的功能在中断自陷总控程序中，当先前态是用户态，且runrun标志大于0，则进行强迫调度，强行剥夺现运行进程的处理机，转进程调度程序。runrun标志大于0是说明系统中处于就绪状态的进程的优先级高于现运行进程的优先级，这时要进行强迫调度，出现这种情况有两种可能：高低优先级睡眠进程被唤醒后其优先级高于现运
40、行进程；当一个进程占用一段时间的CPU后，它的优先级要降低，造成现运行进程的优先级低于系统中的其它就绪进程（时间片到是其中的一种情况）。（2 2）强迫调度）强迫调度调度方式优先数高者进程是否抢占正在运行进程资源优先数高者进程是否抢占正在运行进程资源l l非非剥夺方式剥夺方式l l剥夺方式剥夺方式l l选择可抢占策略：优先数选择可抢占策略：优先数+抢占标志（抢占标志（u,v）进程调度的功能进程调度的功能实施进程调度的程序称为进程调度程序（或称调度程序），在通常的操作系统原理中，该程序属于系统进程的执行程序，有的操作系统是把进程调度程序作一个特别的处理，如早期的操作系统中把进程调度程序称为交通控制
41、程序，不属于系统中的任何进程。在UNIX系统中，进程调度程序swtch()分属个不同的进程，即调用swtch()的进程、让出处理机的进程、0进程、被调度到的进程。调度性能的衡量l 选择策略时考虑因素选择策略时考虑因素整整体体目目标标、负负载载均均衡衡、资资源源特特性性、用用户户满满意意l调度性能指标调度性能指标平均周转时间，平均带权周转时间平均周转时间，平均带权周转时间CPUCPU利用率利用率吞吐量吞吐量就绪等待时间就绪等待时间响应时间响应时间调度策略l l 先来先服务调度先来先服务调度l l短作业优先调度短作业优先调度l l响应比高者优先调度响应比高者优先调度l l优先数调度优先数调度l l
42、均衡调度均衡调度l l多级队列法多级队列法l l多级反馈队列法多级反馈队列法进程优先数调度算法进程优先数调度算法优先数调度算法是目前操作系统广泛采用的一种进程调度算法，这种算法按照某种原则由系统（或用户、或系统与用户结合）赋予每个进程一个优先数，在处理机空闲时，进程调度程序就从就绪进程中选择一个优先数最大（或者最小）的进程占用CPU（该进程就从就绪状态转换成运行状态）。采用这种调度算法的关键是如何确定进程的优先数、一个进程的优先数确定之后是固定的，还是随着该进程运行的情况的变化而变化。进程优先数调度算法进程优先数调度算法静态：进程的优先数在进程创建时确定后就不再变化确定进程优先数：系统确定：（
43、运行时间、使用资源，进程的类型）用户确定：（紧迫程度，计费与进程优先数有关）系统与用户结合（用户可以为本用户的进程设置优先数，但不是作调度用，系统还要根据系统情况把用户设置的进程优先数作为确定进程优先数的一个参数）进程优先数调度算法进程优先数调度算法动态进程优先数：动态进程优先数：系统在运行的过程中，根据系统的设计目标，不断地调整进程的优先数，这种方法的优点是能比较客观地反映进程的实际情况和保证达到系统设计目标。循环轮转调度算法循环轮转调度算法l时间片完，入队列末端时间片完，入队列末端；q=t/n简单循环轮转调度简单循环轮转调度可变时间片轮转调度可变时间片轮转调度多重时间片循环调度多重时间片循
44、环调度循环轮转调度循环轮转调度 循循环环轮轮转转调调度度实实际际上上是是一一种种先先来来先先服服务务算算法法的的调调度度算算法法，它它把把系系统统的的响响应应时时间间分分成成大大小小相相等等（或或不不相相等等）的的时时间间单单位位，称称为为时时间间片片。每每个个进进程程被被调调度度到到后后，占占用用一一个个时时间间片片，片片用用完完后后，该该进进程程让让出出CPUCPU，由由运运行行状状态态转转换换成成就就绪绪状状态态，排排在在就就绪绪队列的队尾。多个进程循环轮转。队列的队尾。多个进程循环轮转。循环轮转调度循环轮转调度循环轮转调度循环轮转调度 系统按进程转换成就绪状态的时间的降序排队，调度程序
45、每次调度，总是从队首移出一程的PCB，然后，将此进程投入运行（由就绪状态转换成运行状态）。一个运行时间片到的进程从运行状态转换成就绪状态后，排在就绪队列的队尾。评价：l优点是实现简单、系统开销小l缺点是不灵活，当系统中进程较少时，系统开销变大。为什么？l由于该算法简单易于实现，且系统开销较小，早期的分时操作系统和目前一些应用系统中广泛采用了这种调度算法。循环轮转调度循环轮转调度可变时间片轮转调度可变时间片轮转调度 为了克服前种调度算法的缺点，人们设计出一种可变时间片的调度算法，其思想是：时间片的大小是可变的，系统可根据系统中当前的进程数来确定时间片的大小。这种算法从理论上克服了系统中进程数很少
46、时系统开销大的缺点，但修改时间片的大小，统计系统进程的数量也需要消耗系统时间，还有一个调整时间片大小的周期，太大，等于是固定时间片，太小，系统开销很大，得不尝失。调度用的进程状态变迁图调度用的进程状态变迁图 在在这这个个图图中中新新创创建建的的进进程程进进入入低低优优就就绪绪状状态态，一一个个运运行行进进程程因因时时间间片片到到（实实际际上上是是计计算算量量大大的的进进程程）而而转转换换成成低低优优就就绪绪；进进程程因因等等待待I/OI/O完完成成而而转转换高优就绪换高优就绪.调度用的进程状态变迁图调度用的进程状态变迁图l调度程序首先看高优就绪进程队列是否为空，若不为空，则从高优就绪进程中选择
47、一个进程占用CPU，否则，从低优就绪队列中选择。这种调度效果能充分地利用系统资源。为什么？lUNIX系统的进程调度状态变迁图，与前一种调度变迁图有着异曲同功的效果。调度用进程状态变迁图中就绪中就绪运行运行等待等待1低就绪低就绪高就绪高就绪等待等待2UNIX中的进程调度中的进程调度l进程调度：调度时机，调度算法进程调度：调度时机，调度算法lShell工作原理工作原理l系统初启系统初启UNIXUNIX系统的进程调度系统的进程调度UNIXUNIX调度算法调度算法l我我们们从从调调度度算算法法、调调度度时时机机、调调度度程程序序三三个个方方面面来来分析分析UNIXUNIX系统的进程调度。系统的进程调度
48、。调度算法l UNIX系统采用优先数调度算法，每个进程有一个进程优先数，p_pri是proc结构中的一个变量，其取值范围是127127，其值越小，进程的优先级越高（即，调度程序总是从就绪状态的进程中选择一个优先数最小的进程占用CPU）。UNIXUNIX调度算法调度算法优先数的确定：优先数的确定：系统设置在进程进入睡眠状态时，在SLEEP（）中设置将要进入睡眠状态进程的优先数，当该进程被唤醒后，就以系统给它设置的优先数去参与处理机的竟争。UNIXUNIX调度算法调度算法l进程进入高优先级睡眠的原因：进程进入高优先级睡眠的原因：（1）0进程（100优先数）；（2）因资源请求得不到满足的进程，磁盘（
49、80），打印机 （20），；（3）等待块设备I/O完成的进程，（50）。l进程进入低优先级睡眠的原因：进程进入低优先级睡眠的原因：(1）因等待字符设备I/O完成的进程，（020的优先数）；(2)所有处于用户态运行进程，优先数一般情况下为大于100。l这样做的目的是为什么？这样做的目的是为什么？为使系统资源得到充分的利用，换句话说，是为了提高系统资源的使用效率。UNIXUNIX调度算法调度算法l优先数的计算优先数的计算计算公式：p_pri=127,(p_cpu/16+p_nice+PUSER)其中：p_cpu 进程占用CPU的程度 p_nice 用户通过系统调用nice(priority)设置
50、的进程优先数。PUSER 常数，其值为100UNIXUNIX调度算法调度算法UNIXUNIX调度算法调度算法 UNIXUNIX系系统统的的设设计计者者采采用用了了一一个个巧巧妙妙的的方方法法，既既避避免免了了繁繁杂杂的的统统计计工工作作，也也不不需需做做浮浮点点运运行行算算。（这这就就是是我我们们要要学学习习的的工工程程能能力力，或或称称分分析析问问题题和和解解决决问问题题的的能能力力，学学会会和和记记往往一一两两个个科科学学的的定定理理和和公公式式并并不不难难，难难的的是是怎怎样样将将这这些些普普遍遍的的理理论论用用于于实实际际的的工工程程之之中中，UNIXUNIX系系统统中中有有很很多多值