12. 第4章 操作系统-I(概述与进程管理)

大学计算机基础任小广计算机学院611教研室第4章操作系统（I概述与进程管理）2016年秋上章回顾•冯.诺依曼体系结构•CPU–指令：机器指令、汇编指令、高级语句、ISA–结构及功能：运算器、控制单元、寄存器组–工作过程：取指令、译码、执行、写结果•存储系统–层次结构–主存的结构：单元、地址、访问（MAR、MDR）–磁盘（磁道、扇区）、光盘、Cache•总线分类•I/O系统–组成：接口、设备、软件–方式：查询、中断、DMA大学计算机基础22016年秋主要内容•4.1操作系统概述•4.2进程管理•4.3存储管理•4.4文件管理•4.5设备管理•4.6用户接口•4.7操作系统的加载大学计算机基础3自学、以了解为主！2016年秋主要内容•4.1操作系统概述–4.1.1操作系统发展简史–4.1.2操作系统基础–4.1.3常见操作系统•4.2进程管理•4.3存储管理•4.4文件管理大学计算机基础42016年秋4.1.1操作系统发展简史大学计算机基础5硬件系统主机外部设备微处理器(CPU)内存储器输入/输出接口总线输入设备(键盘、鼠标等)输出设备(显示器、打印机等)外存储器(硬盘、软盘、光盘等)其它(网卡、MODEM、显卡等)计算机系统软件系统系统软件应用软件操作系统(OperatingSystem)系统应用程序，又称支撑软件2016年秋4.1.1操作系统发展简史•计算机工作过程案例–读磁盘–运行–输出大学计算机基础6程序计数器寄存器堆算术逻辑单元总线接口CPUI/O桥内存储器输入输出控制器磁盘控制器……输入输出设备磁盘I/O总线系统总线为什么我们使用计算机没有察觉如此繁琐的工作？将计算机资源的管理和操作独立出来，从而形成了操作系统.2016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–无操作系统阶段：“人工干预”•背景–计算机刚出现»存储容量小，运行速度慢»输入输出：纸带输入机、卡片阅读机、打印机等–计算机的使用量不大»能用计算机的人不多»用计算机的人也不一定需要频繁使用计算机大学计算机基础72016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–无操作系统阶段：“人工干预”•背景–计算机刚出现–计算机的使用量不大•用户如何使用计算机–以单个作业为单位»作业：用户的一次上机运行程序»单个作业独占，即你用我就不能用–繁琐的具体使用流程»将“写”有程序的纸带或卡片装入输入机»通过控制台启动程序»拿打印结果，卸纸带大学计算机基础82016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–无操作系统阶段：“人工干预”大学计算机基础9读卡机用户打印机程序/数据启动程序装载计算结果取结果.2016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–初期：•背景–用计算机的人慢慢多了，发现»大量的时间花费在繁琐的人工操作中，且速度慢»真正的程序执行时间很短•怎么办？–在机器上安装批量监督程序»控制一个纸盘或一叠卡片上的一批作业依次执行»只有一个作业执行完，下一个作业才会被调度处理；直到这批作业全部被处理完–专设操作员，解放用户»用户将自己的作业交给操作员»操作员将作业组织成批，装到输入设备并启动运行大学计算机基础10批处理2016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–初期：“批处理”大学计算机基础11操作员用户程序/数据用户程序/数据用户程序/数据2016年秋机房4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–初期：“批处理”大学计算机基础12操作员程序/数据程序/数据程序/数据一批作业装载计算结果结果结果2016年秋•“批处理”具体组织形式–联机批处理•输入输出是联机的，即作业的输入与输出由CPU控制•不足？–CPU一直都忙–CPU速度提高后，快速的CPU被牵扯在慢速的输入输出上主机4.1.1操作系统发展简史大学计算机基础13.CPU纸带读卡机打印机内存磁带程序/数据程序/数据程序/数据计算结果结果结果2016年秋•“批处理”具体组织形式–脱机批处理•输入输出由特定的卫星机完成•优点：主机与卫星机并行，性能提高主机4.1.1操作系统发展简史大学计算机基础14CPU纸带读卡机打印机内存磁带程序/数据程序/数据程序/数据计算结果结果结果卫星机卫星机2016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–初期：“批处理”•动机–大量的时间花费在繁琐的人工操作中，且速度慢•怎么办–在机器上安装批量监督程序–专设操作员，解放用户•具体组织形式–联机批处理–脱机批处理大学计算机基础152016年秋4.1.1操作系统发展简史•“批处理”不足及改进思路–最大的问题•用户的作业一旦提交，就无法交互–对策•交互式系统（可理解为对批量监督程序进行升级）–新问题•交互很慢，且多用户不能同时交互–新对策•分时式系统–将计算机的运行时间分成多个时间段–多个用户的作业以时间段为单位轮转使用计算机大学计算机基础16每个用户都感觉自己在独占使用机器.2016年秋4.1.1操作系统发展简史•历史阶段–现代操作系统诞生：多道批处理•主存中同时存放多个程序，相互交替运行–宏观并行、微观串行•提高资源利用率，资源竞争却增加了系统的复杂性大学计算机基础172016年秋4.1.1操作系统发展简史•现代操作系统（以多道程序为基础）特点–并发性•指两个或多个事件在同一时间段内发生•与并行的区别:并行指的是两个或多个事件在同一时刻发生–共享性•指系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用大学计算机基础182016年秋4.1.1操作系统发展简史•现代操作系统（以多道程序为基础）特点–并发性–共享性–虚拟性•将一个物理实体映射为若干个逻辑实体，前者是客观存在的，后者是虚构的–不确定性•单处理机实现多道程序技术时，由于资源等因素的限制，内存中的每个程序在何时能获得处理机运行、每道程序需多少时间完成等，都是不可预知的大学计算机基础19.2016年秋4.1.2操作系统基础•操作系统的双重角色–资源管理者•CPU管理•存储管理•文件管理•设备管理–用户接口•屏蔽硬件细节•对应用的一种抽象，程序的接口•内核+Shell大学计算机基础20.2016年秋4.1.3常见操作系统•操作系统类型–桌面操作系统（个人电脑操作系统）–服务器操作系统–多处理器操作系统–实时操作系统–嵌入式操作系统–分布式操作系统–网络操作系统–……大学计算机基础212016年秋4.1.3常见操作系统•MS-DOS和Windows系列–DOS：远古霸主•单用户、单任务、字符界面终端大学计算机基础222016年秋4.1.3常见操作系统•MS-DOS和Windows系列–DOS：远古霸主–Windows•98、2000、XP、Win7、Win8•图形界面、交换方便、多用户、多任务•UNIX家族–多用户、多任务的分时操作系统，广泛应用于高档微机、小型机、服务器…•Linux——RichardMatthewStallman–全球最大自由免费软件大学计算机基础232016年秋回顾操作系统主要功能大学计算机基础24处理机管理文件管理存储管理设备管理操作系统CPU内存外存外设用户（用户程序）处理机管理存储管理文件管理设备管理操作系统用户接口2016年秋主要内容•4.1操作系统概述•4.2进程管理–4.2.1进程与程序–4.2.2进程状态–4.2.3进程管理与调度•4.3存储管理•4.4文件管理大学计算机基础252016年秋处理机管理VS进程管理•处理机管理–处理机（CPU）是计算机中执行程序的主要部件–要解决的问题：在多道程序执行环境中，如何为同时运行的多个程序分配CPU资源？–要求：提高CPU的使用效率、能满足不同程序的需求•进程管理–进程是操作系统中最核心的概念–在很大程度上就是对CPU的管理，如何将CPU分配给程序使其能够运行大学计算机基础262016年秋4.2.1进程和程序•什么是进程–程序：用于控制计算机行为完成某项任务的指令序列•一个程序顺序执行两次•多道程序操作系统下，一个程序的并发执行大学计算机基础27I1I2I3C1C2C3P1P2P3TT1T3T2I1I2I3C1C2C3P1P2P3TT1T3T2图3-8多道程序并发执行I1I2I3C1C2C3P1P2P3TT1T3T2I1I2I3C1C2C3P1P2P3TT1T3T2图3-8多道程序并发执行2016年秋4.2.1进程和程序•什么是进程–程序的并发执行导致•程序和计算机执行程序的活动不再一一对应–一个程序可能同时对不同的数据集进行计算•并发程序间，即进程间存在相互制约关系–程序执行需要资源，但资源是有限的–例如：程序A的执行需要同时占有资源R1和R2»进程a1占有R1»进程a2占有R2大学计算机基础28进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位两个进程都无法执行，即死锁.2016年秋4.2.1进程和程序•进程的特点–动态性：是一次“程序的执行”，由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡–并发性：多个进程实体同存于内存中，在一段时间内可以同时运行–独立性：进程是操作系统进行调度和分配资源的独立单位–异步性：也称为不确定性，系统中的进程，按照各自的、不可预知的速度向前推进–结构特性：进程是由程序段和相应的数据段及进程控制块构成的，程序只包含指令代码及相应数据大学计算机基础29.2016年秋4.2.1进程和程序•进程与程序的关系–进程是动态的，程序是静态的：进程是程序的一次执行，程序是有序代码的集合–进程是暂时的，程序是永久的：进程有生命周期，会消亡，程序可长期保存在外存储器上–进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程控制块–进程与程序密切相关：同一程序的多次运行对应到多个进程；一个进程可以通过调用激活多个程序大学计算机基础302016年秋4.2.2进程状态•进程为什么要有状态？–多道程序操作系统中同时有多个并发的进程–进程的执行需要占用资源：CPU和其它资源–CPU资源是宝贵的，需要合理使用•进程生命周期中的状态–运行：进程正在CPU上执行–就绪：进程获得了除处理机之外的一切所需资源–等待(阻塞)：进程正在等待某一事件而暂停运行，如等待某种资源、等待输入/输出指令完成大学计算机基础31进程需要根据自己的状态，决定何时使用CPU！.2016年秋4.2.2进程状态•进程状态的变迁大学计算机基础32运行状态等待状态就绪状态等待某个事件等待的事件发生进程调度时间片用完或更高优先级进程出现进程执行完毕新创建的进程进程在生命周期中会经历多种状态，但同一时刻，一个进程只有一个状态！2016年秋4.2.3进程管理与调度•如何管理进程–操作系统为了管理和控制进程的运行，为每个进程定义一个用于记录进程属性信息的表——进程控制块(ProcessControlBlock,PCB)–PCB是进程存在的唯一标志，随着进程的创建而建立，随着进程的撤消而撤消–在进程生命期，操作系统利用PCB对进程进行调度和资源分配大学计算机基础332016年秋4.2.3进程管理与调度•进程控制块PCB的内容大学计算机基础34表项内容说明进程标识信息进程唯一的标识名或标识数位置信息进程的程序和数据在内存或外存中的物理位置状态信息进程当前所处的状态优先级根据进程的轻重缓急程度为进程指定的优先级进程现场保护区CPU现场信息，如断点参数等资源清单资源的需求、分配和控制信息队列指针/链接字将处于同一状态的进程链接成一个队列……2016年秋4.2.3进程管理与调度•OS对进程的主要管理功能大学计算机基础35运行状态等待状态就绪状态等待某个事件等待的事件发生进程调度时间片用完或更高优先级进程出现进程执行完毕新创建的进程创建进程：为进程创建一个PCB，将有关信息填入该PCB中，并把该PCB插入到就绪队列中2016年秋4.2.3进程管理与调度•OS对进程的主要管理功能大学计算机基础36运行状态等待状态就绪状态等待某个事件等待的事件发生进程调度时间片用完或更高优先级进程出现进程执行完毕新创建的进程撤销进程：进程完成任务之后，操作系统应及时收回它占有的全部资源，以供其它进程使用2016年秋4.2.3进程管理与调度•OS对进程