【正文】 資源利用率 。 9 ? 從用戶觀點(diǎn)看 ， OS是用戶和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的 接口 ? 從資源管理觀點(diǎn)看 ， OS是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源（ 軟 、 硬 ） 的 管理者 OS的作用 1． OS作為用戶和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的接口 2． OS作為計(jì)算機(jī)資源的管理者 3． OS實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象 操作系統(tǒng)的作用 : 10 算機(jī)硬件系統(tǒng)的接口 (用戶接口 ) 用 戶 系統(tǒng)調(diào)用 命令 窗口 操作系統(tǒng) 應(yīng)用程序 計(jì)算機(jī)硬件 圖 11 操作系統(tǒng)作為用戶接口示意圖 用戶可以通過三種方式使用計(jì)算機(jī) ： ? 命令方式 （ 鍵盤命令 ） ? 圖標(biāo) 、 窗口方式 （ GUI） ? 系統(tǒng)調(diào)用方式 （ 程序接口 ） 操作接口 OS的作用 11 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源可歸結(jié)為四類：處理器 、 存儲(chǔ)器 、 I/O設(shè)備 、 信息 （ 數(shù)據(jù)和程序 ） ? OS的主要功能也正是針對(duì)這四類資源進(jìn)行有效管理： 2. OS作為計(jì)算機(jī)資源的管理者 ?處理機(jī)管理：分配和控制處理機(jī) ?存儲(chǔ)器管理：主要是內(nèi)存分配和回收 ?I/O設(shè)備管理： I/O設(shè)備的分配與操縱 ?文件管理：文件的存取 、 共享和保護(hù) 12 ? 完全無軟件的計(jì)算機(jī) ——裸機(jī) 。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 南京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)系 2 總 目 錄 第 1章 操作系統(tǒng)引論 第 2章 進(jìn)程管理 第 3章 處理機(jī)調(diào)度與死鎖 第 4章 存儲(chǔ)器管理 第 5章 設(shè)備管理 第 6章 文件管理 第 7章 操作系統(tǒng)接口 3 課內(nèi)上機(jī)實(shí)驗(yàn) 1. 進(jìn)程的創(chuàng)建 2. 線程的創(chuàng)建 3. 進(jìn)程同步 4. 進(jìn)程通信 5. 進(jìn)程調(diào)度 6. 銀行家算法 7. 頁面置換算法的模擬 8. 磁盤 I/O 9. 命令解釋程序 【 說明 】 以上 9個(gè)上機(jī)實(shí)驗(yàn) ， 共計(jì) 22學(xué)時(shí) (包括 2個(gè)進(jìn)階要求的 4學(xué)時(shí) )， 可以選擇其中的 4次實(shí)驗(yàn) (共 8學(xué)時(shí) )作為課內(nèi)上機(jī)實(shí)驗(yàn)任務(wù) 。 ? “ 裸機(jī) ” 難于使用 。 2． 方便用戶 : 繼續(xù)發(fā)展的因素 分時(shí)系統(tǒng) （ 或稱 多用戶系統(tǒng) ） 3．器件的不斷更新?lián)Q代 4．計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展 最初發(fā)展的動(dòng)力。 在內(nèi)存中僅有一道程序運(yùn)行，即監(jiān)督程序每次從磁帶上只調(diào)入一道程序進(jìn)入內(nèi)存，當(dāng)該程序完成或發(fā)生異常情況時(shí)，才換入其后繼程序進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行。 （ 3）周轉(zhuǎn)時(shí)間長。 （ 4）交互性： 用戶可通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的對(duì)話。 ① 開始截止時(shí)間 ——任務(wù)在某時(shí)間以前必須開始執(zhí)行 ②完成截止時(shí)間 ——任務(wù)在某時(shí)間以前必須完成 分類：按執(zhí)行是否周期性劃分 33 分類：實(shí)時(shí)任務(wù)按對(duì)截止時(shí)間要求劃分 硬實(shí)時(shí)任務(wù) 軟實(shí)時(shí)任務(wù) 系統(tǒng)必須滿足任務(wù)對(duì)截止時(shí)間的要求，否則可能出現(xiàn)難于預(yù)測的結(jié)果。T的 Bell實(shí)驗(yàn)室 ) Solaris OS(SUN公司 ) Linux OS(UNIX重要變種，芬蘭學(xué)生；集體開發(fā) ) 37 操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源 ， 合理地對(duì)各類作業(yè)進(jìn)行調(diào)度 ， 以及方便用戶使用的程序的集合 。 進(jìn)程 是指在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機(jī)器指令、數(shù)據(jù)和堆棧等組成的，是一個(gè)活動(dòng)實(shí)體。 目前主要有以下兩種資源共享方式： （ 1） 互斥共享方式 對(duì)于 臨界資源 ，要求被互斥地共享。 44 1. 時(shí)分復(fù)用技術(shù) 時(shí)分復(fù)用技術(shù)最早用于電信行業(yè) ， 它將一條物理信道虛擬為多條邏輯信道 ， 將每條邏輯信道供一對(duì)用戶通話 。 1) 虛擬磁盤技術(shù) 通過虛擬磁盤技術(shù)，將一臺(tái)硬盤虛擬成多臺(tái)虛擬磁盤，這樣使用起來方便、安全。很可能是先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)后完成，而后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)先完成，或者說，進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，此即進(jìn)程的異步性?；救蝿?wù)是實(shí)現(xiàn) CPU與設(shè)備控制器通信： CPU 發(fā) I/O命令； 設(shè)備控制器發(fā)中斷請求。 產(chǎn)生背景 60 1. 微內(nèi)核操作系統(tǒng)的基本概念 1）足夠小的內(nèi)核 微內(nèi)核是指精心設(shè)計(jì)的 、 能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代 OS最基本的核心功能的部分 。 進(jìn)程 (線程 )通信、進(jìn)程切換、線程調(diào)度、多處理機(jī)之間的同步等功能也放在微內(nèi)核中。 67 第 1章復(fù)習(xí)題 1．計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能是 。 A. 硬件 B. 操作系統(tǒng) C. 用戶程序 D. 解釋程序 9. 多道批處理系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是 。 A．作業(yè)調(diào)度軟件 B．用戶命令解釋程序 C．磁盤文件目錄管理軟件 D．進(jìn)程通信服務(wù)例程 返回總目錄 73 第 2章 進(jìn)程管理 進(jìn)程的基本概念 進(jìn)程控制 進(jìn)程同步 經(jīng)典進(jìn)程同步問題 管程機(jī)制 實(shí)現(xiàn)互斥的軟件機(jī)制和硬件機(jī)制 (補(bǔ)充 ) 進(jìn)程通信 線程 第一次課內(nèi)上機(jī)實(shí)驗(yàn) 74 進(jìn)程的基本概念 ? 程序的順序執(zhí)行及其特征 ? 程序的并發(fā)執(zhí)行及其特征 ? 進(jìn)程的特征與狀態(tài) ? 進(jìn)程控制塊 75 程序的順序執(zhí)行及其特征 順序執(zhí)行包含兩層含義： ? 對(duì)于多個(gè)用戶程序來說，所有程序是依次執(zhí)行的。（內(nèi)部順序性） ? 對(duì)于多個(gè)程序（進(jìn)程）來說，所有進(jìn)程是交叉執(zhí)行的。 (3) N=N+1在 print(N)和 N=0之間，此時(shí)得到的 N值分別為 10,11,0。 3）并發(fā)性： 這是指多個(gè)進(jìn)程實(shí)體同存于內(nèi)存中，且能在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行。 85 2）具有掛起狀態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 ● 活動(dòng)就緒 → 靜止就緒 ● 活動(dòng)阻塞 → 靜止阻塞 ● 靜止就緒 → 活動(dòng)就緒 ● 靜止阻塞 → 活動(dòng)阻塞 掛起原語 Suspend 激活原語 Active 86 為了描述和控制進(jìn)程的運(yùn)行，系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ——進(jìn)程控制塊。 (保護(hù)、恢復(fù)現(xiàn)場 ) 當(dāng)處理機(jī)被中斷時(shí)，這些信息都必須保存到 PCB中，以便該進(jìn)程重新執(zhí)行時(shí)，能從斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。 1）鏈接方式 把具有同一狀態(tài)的PCB，用其中的鏈接字鏈接成一個(gè)隊(duì)列。 ▲ 應(yīng)用請求： 是基于應(yīng)用進(jìn)程的需求，由應(yīng)用進(jìn)程自己創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，以便新進(jìn)程以并發(fā)運(yùn)行方式完成特定任務(wù)。 若該進(jìn)程還有子孫進(jìn)程 ， 應(yīng)將其所有子孫進(jìn)程終止 ， 以防止它們成為不可控進(jìn)程 。（主動(dòng)行為） 阻塞（ block）過程： ? 立即停止執(zhí)行； ? 把 PCB中進(jìn)程狀態(tài)由 “ 執(zhí)行 ” 改為 “ 阻塞 ” ； ? 將 PCB插入具有相同事件的阻塞隊(duì)列； ? 轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度程序，將處理機(jī)分配給某個(gè)就緒進(jìn)程，并進(jìn)行進(jìn)程切換 ——保留被阻塞進(jìn)程的處理機(jī)狀態(tài)（在 PCB中），再按新進(jìn)程的PCB中處理機(jī)狀態(tài)設(shè)置 CPU的環(huán)境。 激活過程是： ▲ 將進(jìn)程從外存調(diào)入內(nèi)存； 若是靜止就緒，則改為活動(dòng)就緒； 若是靜止阻塞，則改為活動(dòng)阻塞。 如，打印機(jī)、磁帶機(jī)、共享變量、隊(duì)列、 …… 104 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題 【 例 】 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題 ——著名的進(jìn)程同步問題 共享變量： 臨界資源 循環(huán)緩沖區(qū) 生產(chǎn)者投放一個(gè)產(chǎn)品后，輸入指針 in加 1：in = ( in + 1 ) % n （ n是緩沖區(qū)個(gè)數(shù)，整型常量）， in初值為 0； 消費(fèi)者每取出一個(gè)產(chǎn)品，輸出指針 out加 1：out = ( out + 1 ) % n， out初值為 0； 引入一個(gè) 共享 變量 counter,初值為 0。 (生產(chǎn)者將該值增 1變?yōu)?6) register2 = counter。 不論是硬件臨界資源 ， 還是軟件臨界資源 ， 多個(gè)進(jìn)程必須互斥地對(duì)它們訪問 。 所有同步機(jī)制都應(yīng)遵循如下四條準(zhǔn)則： ? 空閑讓進(jìn) 當(dāng)無進(jìn)程處于臨界區(qū)時(shí) ， 表明臨界資源處于空閑狀態(tài) ， 應(yīng)允許一個(gè)請求進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程立即進(jìn)入自己的臨界區(qū) ， 以便有效地利用臨界資源 。 113 信號(hào)量機(jī)制 信號(hào)量 (Semaphores)機(jī)制是一種卓有成效的進(jìn)程同步工具。 它們以前被稱為 P、 V操作 。 可見該機(jī)制遵循了“ 讓權(quán)等待 ” 準(zhǔn)則 。 A．可能為 1或 3 B．只能為 1 C．可能為 0、 1或 2 D．可能為 0、 1或 2 作業(yè)中部分題目講解： C 118 3. ， S的兩個(gè)組成部分，當(dāng) ， 。amp。amp。 兩個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行可完成對(duì)每小時(shí)中卡車流量的統(tǒng)計(jì) 。 } 臨界區(qū) semaphore S ； int count = 0 ； = 1 ； 【 注意 】 wait (S)和signal (S)必須成對(duì)出現(xiàn) 124 利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)前趨關(guān)系 【 例 】 利用信號(hào)量 ， 描述語句的前趨關(guān)系 （ 見圖 212） 寫出一個(gè)可并發(fā)執(zhí)行的程序。 signal(S13)。 } process P4： { wait(S24)。 wait(S56)。 若有資源可用 ， 則進(jìn)入臨界區(qū) ， 否則阻塞； 3. 同步雙方任一進(jìn)程離開臨界區(qū)后 ， 應(yīng)對(duì)合作方 (對(duì)方 )的信號(hào)量執(zhí)行 signal(對(duì)方信號(hào)量 )操作 ，以 通知 (若對(duì)方處于阻塞狀態(tài) ， 則喚醒它 )對(duì)方已有資源可用 (對(duì)方已可進(jìn)入臨界區(qū) )。//通知消費(fèi)者 } process Consumer: { wait(full)。full=0。 //測試 nextc=buffer[out]。 signal(empty)。 //下標(biāo) parbegin process Producer: { ... produce an item in nextp。 signal(empty)。 empty=1。 } parend // 用 parend表示并發(fā)執(zhí)行結(jié)束 126 經(jīng)典進(jìn)程同步問題 ? 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題 ? 讀者 寫者問題 ? 哲學(xué)家進(jìn)餐問題 在多道程序環(huán)境下，進(jìn)程同步問題十分重要，引起了不少學(xué)者對(duì)它進(jìn)行研究，由此產(chǎn)生了一系列經(jīng)典的進(jìn)程同步問題，其中較有代表性的是： 通過對(duì)這些問題的研究和學(xué)習(xí)，可以幫助我們更好地理解進(jìn)程同步概念及實(shí)現(xiàn)方法。 signal(S46)。 執(zhí)行 S2。 S1 S2 S3 S4 S5 S6 圖 212 前趨圖舉例 P1 P2 P3 P4 P5 P6 125 semaphore S12,S13,S24,S25,S36,S46,S56。 wait（ S） 。 else 進(jìn)程進(jìn)入第一個(gè)遇到的滿足 Siti條件的 Si信號(hào) 量隊(duì)列等待，同時(shí)將該進(jìn)程的程序計(jì)數(shù)器地 址回退，置為 Swait操作處。 else 進(jìn)程進(jìn)入第一個(gè)滿足 Si1條件的 Si信號(hào)量隊(duì)列 等待，同時(shí)將該進(jìn)程的程序計(jì)數(shù)器地址回退， 置為 Swait操作處。 7. 設(shè)與某資源關(guān)聯(lián)的信號(hào)量初值為 3， 當(dāng)前值為 1。 ——資源信號(hào)量 。 115 wait和 signal操作可用 C/C++語言描述如下： void wait( semaphore S) { = – 1 。 信號(hào)量機(jī)制的發(fā)展： ? 整型信號(hào)量 ? 記錄型信號(hào)量 ? AND型信號(hào)量 ? 信號(hào)量集 ―忙等 ” ，未遵循 “ 讓權(quán)等待 ” 準(zhǔn)則。 112 ? 有限等待 ? 讓權(quán)等待 對(duì)要求訪問臨界資源的進(jìn)程，應(yīng)保證在有限的時(shí)間內(nèi)能進(jìn)入自己的臨界區(qū)，以免陷入 “ 死鎖 ” 狀態(tài)。 為此 ， 每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前 ， 應(yīng)先對(duì)欲訪問的臨界資源進(jìn)行檢查 ， 看是否正被訪問 ，如果此刻該資源未被訪問 ， 便可進(jìn)入臨界區(qū)對(duì)該臨界資源進(jìn)行訪問 ， 并設(shè)置它正被訪問的標(biāo)志；如果此刻它正被訪問 ，則本進(jìn)程不能進(jìn)入臨界區(qū) 。 (消費(fèi)者將該值減 1變?yōu)?4) counter = register2。 以下是軟件臨界資源的例子。 ▲ 檢查該進(jìn)程現(xiàn)行狀態(tài)： 102 進(jìn)程同步 ? 由于進(jìn)程的異步性 ， 尤其是它們競爭臨界資源時(shí) ，可能會(huì)給系統(tǒng)造成混亂 。 喚醒原語執(zhí)行過程 ： ▲ 將被喚醒進(jìn)程的 PCB從阻塞隊(duì)列移出； ▲ 將其 PCB中進(jìn)程狀態(tài)由 “ 阻塞 ” 改為 “ 就緒 ” ； ▲ 將改 PCB插入到就緒隊(duì)列中。 (4)將被終止進(jìn)程 （ 它的 PCB） 從所在隊(duì)列中移出 ， 等待其他進(jìn)程來搜索信息 。主要是內(nèi)存空間。如， ● 就緒索引表 ● 阻塞索引表等 ▲ 索引表的首址記錄在專用單元