第二章进程管理1

第二章进程管理OS概念操作系统发展手工操作阶段早期批处理阶段脱机批处理阶段多道程序系统分时系统实时系统通用操作系统网络操作系统分布式操作系统操作系统的特征并发、共享、虚拟、异步常见微机操作系统的类型操作系统的功能虚拟机、单机系统、多机系统、管态、目态第二章进程管理操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步并发：指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。并行：某一时刻两个或多个事件在同时运行。虚拟：指物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物。虚拟处理机、虚拟存储器、虚拟设备异步性：指内存中的多个进程均按照各自独立的、不可预知的速度向前推进。操作系统功能：处理机管理、存储管理、设备管理文件管理、用户接口第二章进程管理用户接口命令接口联机命令接口：是为联机用户提供的，由一组键盘命令和命令解释程序组成。脱机命令接口：为批处理作业的用户提供的，由一组作业控制语言JCL(jobcontrollanguage)组成。程序接口是为用户程序在运行过程中访问系统资源而设定的，也是用户取得操作系统服务的唯一途径，由一组系统调用组成。图形接口采用了图形化的操作界面，用图标将系统的各项功能，文件直观逼真的表示出来，通过鼠标、菜单和对话框图来完成相应的操作第二章进程管理计算机的硬件简介计算机基本的硬件元素处理器、存储器、输入输出控制、总线、外部设备处理器单个处理器，称之为单机系统多个处理器，称之为多机系统特权指令：只能由操作系统使用的指令，如果允许用户随便使用，有可能使系统系统陷入混乱非特权指令：用户只能使用非特权指令第二章进程管理处理器状态多数系统将处理器状态简单的划分为管态：（管理态）操作系统管理程序运行的状态目态：（问题态）用户程序运行的状态与操作系统有关的几种寄存器控制与状态寄存器：被用来对处理机的优先级、保护模式或用户程序执行时的调用关系等进行控制和操作用户可编程存器第二章进程管理典型的用户可编程寄存器包括以下几种数据寄存器地址寄存器条件码寄存器程序计数器PC指令寄存器程序状态字PSW中断现场保护寄存器过程调用堆栈第二章进程管理存储器内存外存：光盘、磁盘、硬盘高速缓存（cache）输入输出控制器与缓冲主要用来控制和暂时存储外部设备与计算机内存之间交换的数据和程序。v外部设备是获取和输出数据程序的基本单位，包括数字设备和模拟设备。v总线总线是连接计算机各部件的通信线路单总线：处理机、外设、存储器都连接在一起多总线：CPU与内存分开连接,外设与外存也分开连接第二章进程管理操作系统的结构设计软件工程的基本概念软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件；或者说，是采用工程的概念、原理、技术和方法，来开发与维护软件，其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等。传统的操作系统结构无结构操作系统模块化OS结构分层式OS结构微内核OS结构客户/服务器模式面向对象的程序设计技术微内核技术第二章进程管理操作系统的结构设计操作系统是一个大型的系统软件，其内部的组织结构已经历了四代的变革。整体式系统整体式系统中，整个操作系统是一堆过程的集合，每个过程都可以调用任意其它过程，操作系统内部不存在任何结构，因此也叫无结构操作系统。采用这种结构的操作系统不仅调试和维护不方便，而且其可读性和可扩充性都比较差。第二章进程管理操作系统的结构设计模块化结构模块化结构中采用了模块化程序设计技术，将操作系统按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块，并规定好各模块间的接口，使得它们之间能够交互。对较大的模块还可以进一步细化为若干个子模块，采用这种结构可以加速操作系统的研制过程。操作系统设计的正确性高、可适应性好，但模块的划分和接口的规定较困难，而且模块间还存在着复杂的依赖关系，使OS结构变得不够清晰。第二章进程管理操作系统的结构设计分层式结构分层式结构式对模块化结构的一种改进，它将操作系统按其功能流图的调用次序以及其它一些原则划分为若干个层次，每一层代码只能使用较低层代码提供的功能和服务，并采用自底向上或自顶向下增添软件的方法来研制操作系统。由于它将模块之间的复杂依赖关系改为单向依赖关系，并消除了某些循环依赖关系，因此能使OS结构变得非常清晰，从而使系统的调试和验证更方便，正确性高。第二章进程管理操作系统的结构设计微内核结构微内核的主要思想是，在操作系统内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务尽可能地从内核中分离出去，用若干个运行在用户态的进程（即服务器进程）来实现，形成所谓的“客户/服务器”模式。普通用户进程（即客户进程）可通过内核向服务器进程发送请求，以取得操作系统的服务。采用微内核结构，不仅提高了系统的灵活性和可扩充性，还增加了系统的可靠性。微内核的另一个优点是它比较适用于分布式系统。第二章进程管理作业一、选择题1.在计算机系统中配置操作系统的主要目的是（A）。操作系统的主要功能是管理计算机系统中的（B），其中包括（C）、（D），以及文件和设备。这里的（C）管理主要是对进程进行管理。A：（1）增强计算机系统的功能；（2）提高系统资源的利用率；（3）提高系统的运行速度；（4）合理组织系统的工作流程，以提高吞吐量。B：（1）程序和数据；（2）进程；（3）资源；（4）作业；（5）软件；（6）硬件。C，D：（1）存储器；（2）虚拟存储器；（3）运算器；（4）处理机；（5）控制器。2.操作系统有多种类型：允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统称为（A）；允许多个用户将若干个作业提交给计算机系统集中处理的操作系统称为（B）；在（C）的控制下，计算机系统能即使处理由过程控制反馈的数据，并做出响应；在IBM－PC机上的操作系统称为（D）。A，B，C，D：（1）批处理操作系统；（2）分时操作系统；（3）实时操作系统；（4）微机操作系统；（5）多处理机操作系统。第二章进程管理3.在设计分时操作系统时，首先要考虑的是（A）；在设计批处理操作系统时，先要考虑的是（B）；在设计实时操作系统时，首先要考虑的是（C）。A，B，C：（1）灵活性和可适应性；（2）交互性和响应时间；（3）周转时间和系统吞吐量；（4）实时性和可靠性。4.分时系统的响应时间（及时性）主要是根据(A)确定的，而试试系统的响应时间则是由（B）确定的。A，B：（1）时间片大小；（2）用户数目；（3）计算机运行速度；（4）用户所能接受的等待时间；（5）控制对象所能接受的时延；（6）实时调度。5.采用（A）结构时，将OS分成用于实现OS最基本功能的内核和提供各种服务的服务器两个部分。通常，下列模块中必须包含在操作系统内核中的是（B）模块。A：（1）整体式；（2）模块化；（3）层次式；（4）微内核。B：（1）内存分配；（2）中断处理；（3）文件处理；（4）命令处理。第二章进程管理6.在3.X版本以前的MS－DOS是（A）操作系统，Windows95是（B）操作系统，WindowsXP是（C）操作系统，它们都是由（D）开发的。A，B，C：（1）单用户单任务；（2）单用户多任务；（3）多用户单任务；（4）多用户多任务。D：（1）IBM公司；（2）Microsoft公司；（3）Microsoft和IBM联合；（4）Bell实验室；7.下面8个系统中，必须是实时操作系统的有（）A计算机辅助设计系统；B航空定票系统；C过程控制系统；D机器翻译系统；E办公自动化系统；F计算机激光照排系统；G情报检索系统；H导弹的制导系统二、简答题在操作系统中实现虚拟的关键技术是什么？并加以说明。试从交互性、及时性以及可靠性三个方面，比较分时系统与实时系统。第二章进程管理第二章进程管理重点和难点：进程的定义和特征进程的同步和互斥用信号量机制解决进程同步、互斥、前趋图问题第二章进程管理2.1进程的基本概念2.1.1进程的引入程序的顺序执行、程序的并发执行特征比较程序的顺序执行程序的并发执行1顺序性1间断性2封闭性2失去封闭性3可再现性3不可再现性第二章进程管理进程的引入多道程序系统的特点是并行性。为了充分利用系统资源，在主存中同时存放多道作业运行，所以各作业之间是并行的各程序由于同时存在于主存中，它们之间必定会存在相互依赖，相互制约的关系。（间接制约关系、直接制约关系）在多道程序系统所带来的复杂环境中，程序具有了并行、制约、动态的特性，原来的程序概念，难以刻画系统中的情况了。程序本身完全是静态的概念程序概念也反映不了系统中的并行特性第二章进程管理前驱图（ProcedenceGraph）：是一个有向无循环图，图中的每个结点可用于表示一条语句，一个程序段或进程；结点间的有向边则表示在两结点之间存在的偏序或前驱关系。“”，＝{(pi，pj)}如果(pi，pj)∈可写成pipj，称pi是pj的前驱，而pj是pi的直接后继。关于前驱图的几个概念：1直接前趋2直接后继3初始结点4终止结点5结点的重量：该结点所含的程序量或结点的执行时间来计算。第二章进程管理1234567存在下面的前驱关系：P1P2，P1P3；P1P4；P2P5；P3P5；P5P7;P4P6，P6P7或表示为：P＝{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7}={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,p5),(P4,P6),(P5,P7),(P6,P7)}七个结点的前驱图第二章进程管理注意：前驱图中不存在循环。S2S3，S3S2显然这种前驱关系是不可能满足的，S3的执行要依赖于S2的执行结果，S2的执行结果又要依赖于S3的执行结果，这种程序是不可能执行下去的。第二章进程管理一个较大的程序通常都是由若干个程序段组成。在程序执行时，必须按照某种先后次序逐个执行，仅当前一操作执行完后，才能执行后继操作。例如：在进行计算时，总是先输入用户的程序和数据，然后才能计算，计算完成后再将结果打印出来。1.程序的顺序执行第二章进程管理I1C1P1P2I2C1程序顺序执行时的前驱图对于一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序的问题。如果对于下述三条语句的程序段：S1：a：＝x＋yS2：b：＝a－5S3：C：＝b＋1(其中S2必须在a被赋值以后才能执行；同样S3也只能在b被赋值以后才能执行)第二章进程管理2.程序顺序执行时的特征（1）顺序性处理机的操作，严格按照程序所规定的顺序执行，即只有前一操作结束后，才能执行后继操作。（2）封闭性（失去交换性）程序是在封闭的环境下运行的。即程序在运行时，它独占全机资源，因而机内各资源的状态（除初始状态外），只有程序才能改变它。程序一旦开始运行，其执行结果不受外界因素的影响。（3）可再现性只要程序执行时的环境和初始条件都相同，不论它是从头到尾的不停顿的执行，还是“走走停停”地执行，都将获得相同的结果。第二章进程管理3.多道程序系统中，程序执行环境的变化计算机能够同时处理多个具有独立功能的程序（批处理系统，分时系统、实时系统、网络与分布式系统）。这样的执行环境具有三个特点：独立性随机性资源共享硬件资源：CPU、输入输出设备，存储器软件资源：各种例行程序、各种共享的数据多道程序环境下执行程序的道数计算机系统中CPU的个数单CPU中，则由N－1道程序处在等待CPU的状态输入输出设备有限将导致这些设备被共享、内存有限将导致内存被共享第二章进程管理程序的并发执行I1I2I4I3C1C2C3P1C4P4P3P2程序并发执行时的前驱图第二章进程管理在上图中存在下属的前驱关系：IiCi，IiIi＋1，CiPi，CiCi＋1，PPi＋1Ii＋1和Ci及Pi－1是可以并发执行的。第二章进程管理例：下述四条语句的程序段画出前驱图S1：a：＝x+2S2：b：＝y＋4S3：c：＝a＋bS4：d：＝c＋6S1S2S4S3第二章进程管理1.程序并发执行可分为两种：多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的并发执行由于资源有限，多道程序的并