【文章內(nèi)容簡介】 素的限制 ， 使進(jìn)程的執(zhí)行通常都不是 “ 一氣呵成 ” ，而是以 “ 停停走走 ” 的方式運(yùn)行 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)能獲得處理機(jī)運(yùn)行 ， 何時(shí)又因提出某種資源請(qǐng)求而暫停 ， 以及進(jìn)程以怎樣的速度向前推進(jìn) ， 每道程序總共需多少時(shí)間才能完成 ， 等等 ，都是不可預(yù)知的 。 由于各用戶程序性能的不同 ， 比如 ，有的側(cè)重于計(jì)算而較少需要 I/O；而又有的程序其計(jì)算少而 I/O多 ， 這樣 ， 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 。 盡管如此 ，但只要運(yùn)行環(huán)境相同 ， 作業(yè)經(jīng)多次運(yùn)行 ， 都會(huì)獲得完全相同的結(jié)果 。 因此 ， 異步運(yùn)行方式是允許的 ， 是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特征 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 操作系統(tǒng)的主要功能 處理機(jī)管理功能 1. 在傳統(tǒng)的多道程序環(huán)境下 ， 要使作業(yè)運(yùn)行 ， 必須先為它創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程 ， 并為之分配必要的資源 。 當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束時(shí) ， 立即撤消該進(jìn)程 ， 以便能及時(shí)回收該進(jìn)程所占用的各類資源 。 進(jìn)程控制的主要功能是為作業(yè)創(chuàng)建進(jìn)程 、撤消已結(jié)束的進(jìn)程 ， 以及控制進(jìn)程在運(yùn)行過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 。 在現(xiàn)代 OS中 ， 進(jìn)程控制還應(yīng)具有為一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建若干個(gè)線程的功能和撤消 (終止 )已完成任務(wù)的線程的功能 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 進(jìn)程同步 為使多個(gè)進(jìn)程能有條不紊地運(yùn)行 ， 系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制 。 進(jìn)程同步的主要任務(wù)是為多個(gè)進(jìn)程 (含線程 )的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào) 。 有兩種協(xié)調(diào)方式： ① 進(jìn)程互斥方式 ， 這是指諸進(jìn)程 (線程 )在對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問時(shí) ， 應(yīng)采用互斥方式； ② 進(jìn)程同步方式 ， 指在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進(jìn)程(線程 )間 ， 由同步機(jī)構(gòu)對(duì)它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào) 。 為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步 ， 系統(tǒng)中必須設(shè)置進(jìn)程同步機(jī)制 。 最簡單的用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的機(jī)制 ， 是為每一個(gè)臨界資源配置一把鎖 W， 當(dāng)鎖打開時(shí) ， 進(jìn)程 (線程 )可以對(duì)該臨界資源進(jìn)行訪問；而當(dāng)鎖關(guān)上時(shí) ， 則禁止進(jìn)程 (線程 )訪問該臨界資源 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 進(jìn)程通信 在多道程序環(huán)境下 ， 為了加速應(yīng)用程序的運(yùn)行 ， 應(yīng)在系統(tǒng)中建立多個(gè)進(jìn)程 ， 并且再為一個(gè)進(jìn)程建立若干個(gè)線程 ， 由這些進(jìn)程 (線程 )相互合作去完成一個(gè)共同的任務(wù) 。 而在這些進(jìn)程 (線程 )之間 ， 又往往需要交換信息 。 例如 ， 有三個(gè)相互合作的進(jìn)程 ， 它們是輸入進(jìn)程 、 計(jì)算進(jìn)程和打印進(jìn)程 。 輸入進(jìn)程負(fù)責(zé)將所輸入的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算進(jìn)程；計(jì)算進(jìn)程利用輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 ， 并把計(jì)算結(jié)果傳送給打印進(jìn)程；最后 ， 由打印進(jìn)程把計(jì)算結(jié)果打印出來 。 進(jìn)程通信的任務(wù)就是用來實(shí)現(xiàn)在相互合作的進(jìn)程之間的信息交換 。 當(dāng)相互合作的進(jìn)程 (線程 )處于同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí) ， 通常在它們之前是采用直接通信方式 ， 即由源進(jìn)程利用發(fā)送命令直接將消息 (message)掛到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列上 ， 以后由目標(biāo)進(jìn)程利用接收命令從其消息隊(duì)列中取出消息 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 調(diào)度 在后備隊(duì)列上等待的每個(gè)作業(yè) ， 通常都要經(jīng)過調(diào)度才能執(zhí)行 。 在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中 ， 包括作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度兩步 。作業(yè)調(diào)度的基本任務(wù) ， 是從后備隊(duì)列中按照一定的算法 ， 選擇出若干個(gè)作業(yè) ， 為它們分配其必需的資源 (首先是分配內(nèi)存 )。 在將它們調(diào)入內(nèi)存后 ， 便分別為它們建立進(jìn)程 ， 使它們都成為可能獲得處理機(jī)的就緒進(jìn)程 ， 并按照一定的算法將它們插入就緒隊(duì)列 。 而進(jìn)程調(diào)度的任務(wù) ， 則是從進(jìn)程的就緒隊(duì)列中選出一新進(jìn)程 ， 把處理機(jī)分配給它 ， 并為它設(shè)置運(yùn)行現(xiàn)場 ， 使進(jìn)程投入執(zhí)行 。 值得提出的是 ， 在多線程 OS中 ， 通常是把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和分配處理機(jī)的基本單位 ， 為此 ， 須把就緒線程排成一個(gè)隊(duì)列 ， 每次調(diào)度時(shí) ， 是從就緒線程隊(duì)列中選出一個(gè)線程 ， 把處理機(jī)分配給它 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 存儲(chǔ)器管理功能 1. 內(nèi)存分配 OS在實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配時(shí) ， 可采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式 。在靜態(tài)分配方式中 ， 每個(gè)作業(yè)的內(nèi)存空間是在作業(yè)裝入時(shí)確定的；在作業(yè)裝入后的整個(gè)運(yùn)行期間 ， 不允許該作業(yè)再申請(qǐng)新的內(nèi)存空間 ， 也不允許作業(yè)在內(nèi)存中 “ 移動(dòng) ” ； 在動(dòng)態(tài)分配方式中 ， 每個(gè)作業(yè)所要求的基本內(nèi)存空間 ， 也是在裝入時(shí)確定的 ， 但允許作業(yè)在運(yùn)行過程中 ， 繼續(xù)申請(qǐng)新的附加內(nèi)存空間 ， 以適應(yīng)程序和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)增漲 ， 也允許作業(yè)在內(nèi)存中 “ 移動(dòng) ” 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配 ， 在內(nèi)存分配的機(jī)制中應(yīng)具有這樣的結(jié)構(gòu)和功能： ① 內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ， 該結(jié)構(gòu)用于記錄內(nèi)存空間的使用情況 ， 作為內(nèi)存分配的依據(jù)； ② 內(nèi)存分配功能 ， 系統(tǒng)按照一定的內(nèi)存分配算法 ， 為用戶程序分配內(nèi)存空間； ③ 內(nèi)存回收功能 ， 系統(tǒng)對(duì)于用戶不再需要的內(nèi)存 ，通過用戶的釋放請(qǐng)求 ， 去完成系統(tǒng)的回收功能 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 內(nèi)存保護(hù)的主要任務(wù) ， 是確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行 ， 彼此互不干擾 。 為了確保每道程序都只在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行 ， 必須設(shè)置內(nèi)存保護(hù)機(jī)制 。 一種比較簡單的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制 ， 是設(shè)置兩個(gè)界限寄存器 ， 分別用于存放正在執(zhí)行程序的上界和下界 。系統(tǒng)須對(duì)每條指令所要訪問的地址進(jìn)行檢查 ， 如果發(fā)生越界 ，便發(fā)出越界中斷請(qǐng)求 ， 以停止該程序的執(zhí)行 。 如果這種檢查完全用軟件實(shí)現(xiàn) ， 則每執(zhí)行一條指令 ， 便須增加若干條指令去進(jìn)行越界檢查 ， 這將顯著降低程序的運(yùn)行速度 。 因此 ， 越界檢查都由硬件實(shí)現(xiàn) 。 當(dāng)然 ， 對(duì)發(fā)生越界后的處理 ， 還須與軟件配合來完成 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 3. 一個(gè)應(yīng)用程序 (源程序 )經(jīng)編譯后 ， 通常會(huì)形成若干個(gè)目標(biāo)程序；這些目標(biāo)程序再經(jīng)過鏈接便形成了可裝入程序 。這些程序的地址都是從 “ 0”開始的 ， 程序中的其它地址都是相對(duì)于起始地址計(jì)算的； 由這些地址所形成的地址范圍稱為 “ 地址空間 ” ， 其中的地址稱為 “ 邏輯地址 ” 或 “ 相對(duì)地址 ” 。 此外 ， 由內(nèi)存中的一系列單元所限定的地址范圍稱為 “ 內(nèi)存空間 ” ， 其中的地址稱為 “ 物理地址 ” 。 在多道程序環(huán)境下 ， 每道程序不可能都從 “ 0”地址開始裝入 (內(nèi)存 )， 這就致使地址空間內(nèi)的邏輯地址和內(nèi)存空間中的物理地址不相一致 。 使程序能正確運(yùn)行 ， 存儲(chǔ)器管理必須提供地址映射功能 ， 以將地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中與之對(duì)應(yīng)的物理地址 。 該功能應(yīng)在硬件的支持下完成 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 4. 內(nèi)存擴(kuò)充 存儲(chǔ)器管理中的內(nèi)存擴(kuò)充任務(wù) ， 并非是去擴(kuò)大物理內(nèi)存的容量 ， 而是借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù) ， 從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量 ， 使用戶所感覺到的內(nèi)存容量比實(shí)際內(nèi)存容量大得多； 或者是讓更多的用戶程序能并發(fā)運(yùn)行 。 這樣 ， 既滿足了用戶的需要 ， 改善了系統(tǒng)的性能 ， 又基本上不增加硬件投資 。 為了能在邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存 ， 系統(tǒng)必須具有內(nèi)存擴(kuò)充機(jī)制 ， (1) 請(qǐng)求調(diào)入功能。 (2) 置換功能。 第一章 操作系統(tǒng)引論 設(shè)備管理功能 設(shè)備管理用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的外圍設(shè)備 ， 而設(shè)備管理的主要任務(wù)是 ， 完成用戶進(jìn)程提出的 I/O請(qǐng)求； 為用戶進(jìn)程分配其所需的 I/O設(shè)備；提高 CPU和 I/O設(shè)備的利用率；提高 I/O速度；方便用戶使用 I/O設(shè)備 。 為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù) ， 設(shè)備管理應(yīng)具有緩沖管理 、 設(shè)備分配和設(shè)備處理 ， 以及虛擬設(shè)備等功能 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 1. 緩沖管理 CPU運(yùn)行的高速性和 I/O低速性間的矛盾自計(jì)算機(jī)誕生時(shí)起便已存在 。 而隨著 CPU速度迅速 、 大幅度的提高 ， 使得此矛盾更為突出 ， 嚴(yán)重降低了 CPU的利用率 。 如果在 I/O設(shè)備和 CPU之間引入緩沖 ， 則可有效地緩和 CPU和 I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾 ， 提高 CPU的利用率 ， 進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量 。 因此 ， 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 ， 都毫無例外地在內(nèi)存中設(shè)置了緩沖區(qū) ， 而且還可通過增加緩沖區(qū)容量的方法 ， 來改善系統(tǒng)的性能 。 最常見的緩沖區(qū)機(jī)制有單緩沖機(jī)制 、 能實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳送數(shù)據(jù)的雙緩沖機(jī)制 ， 以及能供多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用的公用緩沖池機(jī)制 。 第一章 操作系統(tǒng)引論 2. 設(shè)備分配 設(shè)備