【正文】 序的執(zhí)行結(jié)果與其執(zhí)行的相對速度有關(guān)。而有些并發(fā)執(zhí)行的程序需要相互通信共同協(xié)作完成同一任務(wù)，程序間的相互依賴，相互制約的關(guān)系使并發(fā)執(zhí)行的程序具有“ 執(zhí)行－暫停－執(zhí)行 ”的活動(dòng)規(guī)律， 相互穿插交替運(yùn)行 。程序的并發(fā)執(zhí)行具有與程序的順序執(zhí)行完全不同的特征。 3）可再現(xiàn)性 順序執(zhí)行的最終結(jié)果與程序運(yùn)行的速度無關(guān)，無論何時(shí)執(zhí)行程序，只要輸入的初始條件相同，都能得到相同的結(jié)果，與執(zhí)行過程是否停頓無關(guān)。 2）封閉性 程序執(zhí)行的最終結(jié)果只由給定的初始條件決定，不受外界因素的影響。其特征如下： 1）順序性 處理機(jī)操作嚴(yán)格按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行，每個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行都以前一個(gè)動(dòng)作的結(jié)尾為前提條件。 ? 如：進(jìn)程模塊、內(nèi)存模塊 … ，各模塊內(nèi)進(jìn)一步劃分子模塊 。 目標(biāo)：更短的響應(yīng)時(shí)間、高吞吐量、高可靠性 30 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ? 無結(jié)構(gòu) ? 模塊式 ? 層次式 ? 微內(nèi)核 31 – 一組過程集，各過程可相互調(diào)用，也叫整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 用戶無需知道使用的是哪臺(tái)計(jì)算機(jī)上的資源，具體操作是在哪臺(tái)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。 基本特征：功能和任務(wù)的分布。（或者說系統(tǒng)對特定輸入作出反應(yīng)的速度足以控制發(fā)出實(shí)時(shí)信號的對象） – 類型 ? 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) ? 實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng) 26 實(shí)時(shí)系統(tǒng) (2) ? 實(shí)時(shí)、分時(shí)的比較 – 多路性：相同 – 獨(dú)立性：相同 – 及時(shí)性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求更高 – 交互性：分時(shí)系統(tǒng)交互性更強(qiáng) – 可靠性：實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求更高 27 實(shí)時(shí)系統(tǒng) (3) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一些特殊功能： ? 高可靠性：常采用雙工體制 ? 連續(xù)人機(jī)對話：需有二次、三次 … 對話能力 ? 過載防護(hù)：拋棄一些不重要的任務(wù)，或者降低某些周期任務(wù)的頻率 28 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，具有以下基本功能： (1)網(wǎng)絡(luò)通信功能 (2)網(wǎng)絡(luò)資源的管理和使用 分類： (1)按地理范圍分： 廣域網(wǎng)操作系統(tǒng)和局域網(wǎng)操作系統(tǒng) (2)按提供的服務(wù)方式或控制方式： 客戶機(jī) /服務(wù)器結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和對等結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 29 分布式操作系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)是通過通信網(wǎng)絡(luò)將物理上分布的具有自治功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享，協(xié)作完成任務(wù)。系統(tǒng)能及時(shí)相應(yīng)該命令，并在終端上顯示響應(yīng)結(jié)果。 – 及時(shí)性 ： 終端用戶請求能在很短時(shí)間間隔內(nèi)獲得相應(yīng)。宏觀上，多個(gè)用戶同時(shí)工作，共享系統(tǒng)資源；微觀上終端作業(yè)是輪流運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。 ? 多道分時(shí)系統(tǒng) – 不需要調(diào)入、出開銷。 20 批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) ? 優(yōu)點(diǎn)： 系統(tǒng)吞吐量大 資源利用率高 ? 缺點(diǎn)： 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長 不能提供交互作用能力 21 分時(shí)系統(tǒng) ? 分時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)生 – 概念：指一臺(tái)主機(jī)上連接了多個(gè)帶有顯示器和鍵盤的終端，同時(shí)允許多個(gè)用戶共享主機(jī)中的資源，各個(gè)用戶都可通過自己的終端以交互方式使用計(jì)算機(jī)。 RJE程序具有接收遠(yuǎn)地作業(yè)，并將它排入本地批處理作業(yè)隊(duì)列的功能，像本地作業(yè)一樣處理。 19 3）遠(yuǎn)程批處理系統(tǒng) ? 這是配置在聯(lián)機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的、能接收從遠(yuǎn)程系統(tǒng)送來的批量型作業(yè)，對它進(jìn)行處理后，將結(jié)果送至制定系統(tǒng)的一種批處理系統(tǒng)。 批處理系統(tǒng) 1）單道批處理系統(tǒng) 17 批處理系統(tǒng) 工作流程圖 還有下一 個(gè)作業(yè)？ 把下一個(gè)作業(yè) 的源程序轉(zhuǎn)換 為目標(biāo)程序 源程序 有錯(cuò)嗎？ 裝配目標(biāo)程序 運(yùn)行目標(biāo)程序 開始 是 否 停止 是 否 18 2）多道批處理系統(tǒng) ? 把內(nèi)存分為若干部分，屬于同一批次的若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，存放在內(nèi)存的不同部分。 ? 特征 – 無需作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度。（每個(gè)程序在何時(shí)執(zhí)行，多個(gè)程序間的執(zhí)行順序以及完成每道程序所需要的時(shí)間都是不確定的。 ? 不確定性 – 程序執(zhí)行的結(jié)果不確定。 15 ? 虛擬性（ Vitual） – 通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征，而這兩者之間又是互為存在條件的。 同時(shí)訪問 ：允許在一段時(shí)間內(nèi)，由多個(gè)進(jìn)程同時(shí)對他進(jìn)行訪問。根據(jù)資源屬性的不同，可有以下兩種資源共享的方式。 程序的并發(fā)執(zhí)行，有效的改善了系統(tǒng)資源的利用率和提高了系統(tǒng)的吞吐量，但是它使系統(tǒng)復(fù)雜化，操作系統(tǒng)必須具有控制和管理各種并發(fā)活動(dòng)的能力。 進(jìn)程 ：系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位。 13 能并發(fā)執(zhí)行的程序稱為 并發(fā)程序 ，相應(yīng)的系統(tǒng)為 并發(fā)系統(tǒng) 。 在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指宏觀上在一段時(shí)間內(nèi)有多道程序同時(shí)運(yùn)行。 12 操作系統(tǒng)的基本特征 ?并發(fā)性 并行 是指兩或多個(gè)事件在 同一時(shí)刻 （時(shí)間點(diǎn)） 發(fā)生。 ? 文件管理： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的分配、回收；文件的讀寫和查找機(jī)制和安全機(jī)制，還應(yīng)當(dāng)屏蔽掉各種存儲(chǔ)設(shè)備的物理特性，向用戶提供一套簡單、方便、易用的服務(wù)接口。 ? 存儲(chǔ)器管理： 為每個(gè)進(jìn)程分配內(nèi)存，當(dāng)進(jìn)程被撤消時(shí)回收分配出去的內(nèi)存是內(nèi)存管理的主要內(nèi)容。 從資源管理和用戶接口的觀點(diǎn)出發(fā)，操作系統(tǒng)的功能有五層。當(dāng) CPU把輸入輸出工作交由通道執(zhí)行時(shí)， CPU則轉(zhuǎn)到其他程序去執(zhí)行，大大提高了利用率。若執(zhí)行需大量數(shù)據(jù)輸入的作業(yè)時(shí)， CPU則處于等待的空閑狀態(tài)。 （通道是一種 硬件機(jī)制 ，是專門用于控制輸入輸出設(shè)備的小型處理機(jī)，又稱為 I/O處理機(jī) ） CPU與 I/O通道的并行操作需要有一個(gè)軟件系統(tǒng)來協(xié)調(diào)，即常駐內(nèi)存的中斷處理程序和 I/O控制程序，稱為 管理程序 或 執(zhí)行程序 。 P70 圖 22 7 讀卡機(jī) 打印機(jī) 衛(wèi)星機(jī) 主機(jī) 輸入 磁帶 輸入 帶 輸出 磁帶 輸出 帶 脫機(jī)批處理工作方式 8 管理程序階段 脫機(jī)批處理雖緩解了處理機(jī)與 I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高了 CPU的利用率，但也增加了用戶的等待時(shí)間。 縮短了作業(yè)之間的交接和準(zhǔn)備時(shí)間。 裝入和運(yùn)行程序全部在人工控制下執(zhí)行， CPU90%以上的時(shí)間處于等待的空閑狀態(tài)，利用率很低。 3 操作系統(tǒng)概述 ，它是對計(jì)算機(jī)硬件的首次擴(kuò)充 ，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和深化，必然導(dǎo)致操作系統(tǒng)更新?lián)Q代 操作系統(tǒng)是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有資源進(jìn)行高效管理的一種系統(tǒng)軟件，是所有其他軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，是用戶使用計(jì)算機(jī)的接口 4 作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口 OS作為接口的層狀示意圖 計(jì)算機(jī)硬件 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)調(diào)用 ，命令，圖標(biāo)，窗口 應(yīng)用程序及實(shí)用程序 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者 程序員 用戶 5 一、操作系統(tǒng)的形成與發(fā)展 人工操作階段 人工操作方式 如紙帶輸入機(jī)。1 第二章 操作系統(tǒng) 參考書籍： 《 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 》 西安電子科技大學(xué)出版社 湯子灜 2 第二章 操作系統(tǒng) [教學(xué)要求 ] *了解操作系統(tǒng)的作用和分類 . *掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源及資源管理的觀點(diǎn) 。 *掌握操作系統(tǒng)五大管理的基本原理 . *掌握進(jìn)程 、 中斷技術(shù) ,通道技術(shù)和緩沖技術(shù)等概念 *了解常見操作系統(tǒng)的功能與基本組成 。 特點(diǎn)是用戶獨(dú)占全機(jī)及 CPU等待人工操作。 6 早期批量處理階段 基本思想：減少兩個(gè)作業(yè)之間的人工干預(yù)，事先把用戶作業(yè)組合排序成一批作業(yè)，利用常駐內(nèi)存的監(jiān)督程序，把作業(yè)逐個(gè)投入連續(xù)運(yùn)行。 由于早期 I/O設(shè)備是聯(lián)機(jī)的，輸入輸出都要由CPU控制完成，故嚴(yán)重影響機(jī)器使用的效率，為了解決這一問題，引入了脫機(jī)輸入輸出技術(shù)，形成脫機(jī)批處理系統(tǒng)。 通道和中斷技術(shù)的引入，使得我們可以借助緩沖技術(shù)來實(shí)現(xiàn) I/O通道與 CPU的并行工作。 9 多道程序設(shè)計(jì)與多道批處理系統(tǒng) 雖然管理程序使得 CPU和 I/O可并行操作，但作業(yè)的串行執(zhí)行并沒有解決。 多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，即在內(nèi)存中允許同時(shí)存放多道相互獨(dú)立的程序，他們交替執(zhí)行，共享各種軟硬件資源。 10 二、操作系統(tǒng)的功能 從不同的角度去看待： 從資源的角度 ：協(xié)調(diào)、管理計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，提高它們的利用率； 從用戶的角度 ：為用戶提供一個(gè)良好的使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境和服務(wù)。 11 ? 處理機(jī)（ CPU）管理： 對處理機(jī)的分配、調(diào)度實(shí)施最有效的管理，以最大限度地提高處理機(jī)的處理能力。 ? 設(shè)備管理： 除了對設(shè)備進(jìn)行分配、調(diào)度以提高整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率之外，還必須屏蔽各種設(shè)備的物理特性，向用戶提供一個(gè)方便、易用、高效的操作界面。 ? 作業(yè)管理： 作業(yè)就是用戶的計(jì)算任務(wù)，它包括用戶應(yīng)用程序所需要的數(shù)據(jù)以及控制應(yīng)用程序執(zhí)行的指令之部分，作業(yè)管理應(yīng)當(dāng)具有作業(yè)調(diào)度功能。 并發(fā) 是兩或多個(gè)事件在 同一時(shí)間間隔內(nèi) （時(shí)間段） 發(fā)生。但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻僅能執(zhí)行一道程序，故微觀上，這些程序是在 交替進(jìn)行。 通常程序不能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)必須為該程序建立進(jìn)程。引入線程后，獨(dú)立運(yùn)行的單位變?yōu)榫€程。 14 ?共享性 系統(tǒng)中資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。 互斥共享 ：一段時(shí)間只允許一個(gè)進(jìn)程訪問該資源。微觀上仍是互斥的。一方面，資源共享是以程序的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題；另一方面，若系統(tǒng)不能對資源共享實(shí)施有效的管理，也必將影響到程序的并發(fā)執(zhí)行，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。 – 若 n是某一物理設(shè)備所對應(yīng)的虛擬的邏輯設(shè)備數(shù)，則虛擬設(shè)備的速度必然是物理設(shè)備速度的 1/n。（不允許） – 運(yùn)行進(jìn)度不可預(yù)知。） 16 操作系統(tǒng)的分類 ? 用戶一次可以提交多個(gè)作業(yè)，但系統(tǒng)一次只處理一個(gè)作業(yè)，處理完一個(gè)作業(yè)后，再調(diào)入下一個(gè)作業(yè)進(jìn)行處理。只按作業(yè)在外存中排定的順序，依次將它們調(diào)入內(nèi)存，將處理機(jī)分配給調(diào)入的作業(yè)使之運(yùn)行； – 內(nèi)存中僅有一道作業(yè)在運(yùn)行； – 作業(yè)完成的順序與作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存的順序直接相關(guān)，先進(jìn)內(nèi)存的先完成。一個(gè)作業(yè)由于等待輸入輸出操作而讓處理機(jī)出現(xiàn)空閑時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行切換，處理另一個(gè)作業(yè) ? 特征 – 需經(jīng)過作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度； – 內(nèi)存中可以同時(shí)駐留多道作業(yè)； – 作業(yè)完成的先后順序與其進(jìn)入內(nèi)存的順序并無嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)有可能先完成。 ? 該系統(tǒng)是在通常的批處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，再加上遠(yuǎn)程作業(yè)錄入程序（ RJE）后形成的。 ? 遠(yuǎn)程批處理系統(tǒng)是構(gòu)成分布式處理系統(tǒng)的基本條件之一。 – 是用戶的需求： ? 人機(jī)交互性 ? 共享主機(jī) ? 便于用戶上機(jī) 22 分時(shí)系統(tǒng)（ 2） ? 分時(shí)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題 – 及時(shí)接收：多終端卡、輸入緩沖區(qū) – 及時(shí)處理：交互作業(yè)應(yīng)在內(nèi)存、響應(yīng)時(shí)間應(yīng)短 23 分時(shí)系統(tǒng) (3) ? 分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 – 交互式作業(yè)直接進(jìn)入內(nèi)存 – 以分配時(shí)間片方式實(shí)現(xiàn) – 類型： ? 簡單分時(shí)系統(tǒng) ? 具有前、后臺(tái)的分時(shí)系統(tǒng) – 僅當(dāng)前臺(tái)無作業(yè)或在調(diào)進(jìn)、出時(shí)，才運(yùn)行后臺(tái)批處理作業(yè)。 24 分時(shí)系統(tǒng) (4) ? 分時(shí)系統(tǒng)的特征 – 多路性 ： 系統(tǒng)將若干個(gè)用戶終端通過多路卡連接到一臺(tái)主機(jī)上。 – 獨(dú)立性 ： 每個(gè)用戶各占一臺(tái)終端，彼此獨(dú)立操作。 – 交互性 ： 用戶能與系統(tǒng)進(jìn)行較廣泛的人機(jī)對話，即用戶從鍵盤輸入命令，請求系統(tǒng)服務(wù)和控制程序的運(yùn)行。 25 實(shí)時(shí)系統(tǒng) ? 引入：要求 及時(shí)處理 的場合 – 概念： ? 系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對該事件的處理。 是一個(gè)不共享公共存儲(chǔ)器的處理機(jī)集合，每個(gè)處理單元都包含有處理機(jī)和局部存儲(chǔ)器。 與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的最大區(qū)別：有無任務(wù)分配。資源由操作系統(tǒng)控制分配。 – 缺點(diǎn)：邏輯復(fù)雜，維護(hù)困難 . 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算機(jī)硬件用戶態(tài) 核心態(tài)32 模塊化操作系統(tǒng) – 通過分解來控制大型軟件復(fù)雜度。 – 優(yōu)點(diǎn)： ? 提高了 OS設(shè)計(jì)的可維護(hù)性 ? 增強(qiáng)的 OS的可適應(yīng)性 ? 加速了 OS的開發(fā)過程：并行開發(fā)模塊 – 缺點(diǎn)： ? 接口不易確定 ? 模塊依賴關(guān)系可能復(fù)雜（對于大型軟件而言） 33 層次式操作系統(tǒng) – 有序分層的基本概念 ? 可簡化設(shè)計(jì)的復(fù)雜度 ? 下層為上層提供服務(wù) – 層次的設(shè)置應(yīng)考慮的因素 ? 程序嵌套：各模塊間嵌套關(guān)系復(fù)雜 ? 運(yùn)行頻率：隨層次的增高，相應(yīng)軟件的運(yùn)行速度就隨之下降 ? 公用模塊：低層 ? 用戶接口：高層 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用文件系統(tǒng)內(nèi)存管理和I/O