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