哈工大张英涛操作系统视频对应课件3_10(全)

操作系统第3讲主讲人：张英涛哈尔滨工业大学远程教育课程操作系统基本特征并发性（最重要特征）共享性虚拟性异步性并发性并行性：多个事件在同一时刻发生并发性：多个事件在同一时间间隔内发生。单处理机系统：宏观并发微观串行。多处理机系统：可能有并行。两种资源共享方式（1）互斥共享方式对临界资源的访问临界资源，如：打印机等硬件；栈、变量、表格等软件（2）同时访问方式多个进程同时访问的资源，如：磁盘、重入码写的文件。操作系统两个最基本的特征：并发和共享虚拟:通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。如：虚拟处理器、虚拟内存等异步性：进程以不可预知的速度向前推进。资源管理5.用户接口1.处理机管理（硬件）2.存储器管理（硬件）3.设备管理（硬件）4.文件管理（软件）命令接口程序接口图形接口操作系统的五大功能联机用户接口脱机用户接口联机用户接口适用：几乎所有计算机的操作系统中。组成：命令+终端处理程序+命令解释程序过程：用户在键盘上输入命令；终端处理程序接收命令并显示在屏幕上；命令解释程序解释并执行该命令。联机命令举例：UNIX:login;logout；DOS:copy;format;命令解释程序：操作系统的最高层，如：MS-DOS:COMMAND.COMUNIX:Shell.脱机用户接口适用：批处理系统。又称批处理用户接口组成：JCL+作业说明书+命令解释程序JCL：作业控制语言过程：用户把对作业的控制用JCL写在作业说明书上，命令解释程序按照作业说明书解释并执行。程序接口目的：为用户程序访问系统资源而设置。组成：一组系统调用系统调用：一个系统调用是一个能完成特定功能的子程序。系统调用过程系统调用命令用户程序系统功能调用返回操作系统的结构设计操作系统的发展阶段：第一代：无结构OS第二代：模块化OS结构第一代：分层式OS结构第一代：为内核OS结构（20世纪90年代）传统OS结构谢谢收看操作系统第3讲哈尔滨工业大学张英涛操作系统第4讲主讲人：张英涛哈尔滨工业大学远程教育课程进程管理进程的基本概念进程与程序的区别进程控制进程同步进程通信线程进程的基本概念程序在并发环境中的执行过程资源分配和独立运行的基本单位程序的顺序执行一个有四条语句的程序段：S1:a:=x+2;S2:b:=y+4;S3:c:=a+b;S4:d:=c+b;程序的顺序执行s1s2s3s4程序顺序执行的特征顺序性封闭性可再现性顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，即每一个操作必须在下一操作之前结束。封闭性：程序在封闭环境下执行，结果不受外界因素影响。可再现性：只要环境和初始条件相同，程序重复执行时总得到相同结果。程序并发执行一个有四条语句的程序段：S1:a:=x+2;S2:b:=y+4;S3:c:=a+b;S4:d:=c+b;程序的并发执行s1s2s3s4程序并发执行的特征间断性共享、合作、制约导致：执行—暂停—执行失去封闭性资源状态由多程序改变不可再现性相同环境和初始条件，重复执行结果不同。程序AL1：N:=N+1gotoL1程序BL2：PRINT（N）；N:=0；gotoL2设共享变量N初值为5，则会产生3中执行结果：6，6，05，0，15，6，0进程的特征结构特征动态性并发性独立性异步性结构特征进程结构PCB进程控制块程序段数据段动态特征的集中反映描述要完成的功能操作对象及工作区动态性进程最基本的特征是动态性进程的生命周期：进程由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡的过程。并发性：多个进程同在内存中，且能在一段时间内同时运行。独立性：进程是一个能独立运行、独立分配资源、独立接受调度的基本单位。异步性：进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。进程定义进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程和程序的关系（1）进程是一个动态概念，程序是一个静态概念。（2）进程具有并行特征，程序没有。（3）进程是竞争资源的基本单位（4）一个程序对应多个进程，一个进程为多个程序服务。进程的三种基本状态就绪状态执行状态阻塞状态就绪状态进程已经分配了除处理机以外的所有必要资源，只要再获得处理机就能够执行的状态。这样的进程可能有多个，通常排成一个队列，称就绪队列。执行状态已经获得CPU，正在运行。在单处理机系统只有一个进程处于执行状态。多处理机系统则有多个处于执行状态。阻塞状态正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，放弃处理机而进入的状态，又称等待状态。引起阻塞的事件：请求I/O,申请缓存。谢谢收看操作系统第4讲哈尔滨工业大学张英涛操作系统第5讲主讲人：张英涛哈尔滨工业大学远程教育课程进程的基本状态转换就绪阻塞执行I/O请求I/O完成时间片完进程调度挂起状态引入原因：（1）终端用户请求（2）父进程请求（3）负荷调节需要（4）操作系统的需要挂起引起的状态转换静止状态活动状态挂起状态非挂起状态有挂起状态的进程状态图静止就绪活动阻塞执行I/O请求活动就绪静止阻塞挂起挂起激活挂起激活调度释放释放进程控制块进程结构PCB进程控制块程序段数据段ProcessControlBlock进程控制块PCB是OS中最重要的记录型结构。OS用PCB对并发进程进行管理和控制。PCB是进程存在的唯一标志。PCB常驻内存。OS专门开辟PCB区将所有的PCB组织成若干个链表或队列。结构体(structure)forexample：一个学生的自然信息：姓名性别出生年月日专业班级结构体(structure)定义一个结构：structStudent{charname[20]；charsex[12]；DATEbirthday；charspeciality[20]；charclass[10]；}；typedefstructStudentSTUDENT；PCB中的信息（1）进程标识符（2）处理机状态（3）进程调度信息（4）进程控制信息进程标识符（1）内部标识符进程唯一的数字编号，给OS使用。（2）外部标识符由字母、数字组成，给用户使用。处理机状态处理机中主要的寄存器：（1）通用寄存器8-32个，暂存信息用（2）指令计数器要访问的下一条指令地址（3）程序状态字PSW条件码、执行方式、中断屏蔽标志（4）用户栈指针用户进程拥有的系统栈，存放过程和系统调用参数及调用地址。进程调度信息进程状态进程优先级与调度算法有关信息事件如：阻塞原因进程控制信息程序和数据地址进程同步和通信机制资源清单：除CPU之外的所需资源与已经分配资源清单链接指针：本进程PCB所在队列的下一个地址。PCB的组织方式（1）链接方式把统一状态的PCB，用其中的链接字链接成一个队列。如：就绪队列、阻塞队列（根据不同阻塞原因）、空白队列。（2）索引方式建立就绪索引表、阻塞索引表等。把索引表在内存的首地址放在内存的专用单元中。链接方式执行指针就绪队列指针阻塞队列指针空闲队列指针PCB14PCB23PCB30PCB48PCB5PCB67PCB79PCB80PCB91索引方式执行指针就绪表指针阻塞表指针PCB1PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7谢谢收看操作系统第5讲哈尔滨工业大学张英涛操作系统第6讲主讲人：张英涛哈尔滨工业大学远程教育课程进程管理中最基本功能是进程控制进程控制任务：进程的创建、终止、进程状态的转变等进程控制一般由OS内核来实现。进程图DBCAEFGH引起创建进程的事件（1）用户登录。（2）作业调度。（3）提供服务。（4）应用请求。由系统内核创建由自己创建进程的创建原语CREAT（）按下述步骤创建一个新进程:（1）申请空白PCB。（2）为新进程分配资源。（3）初始化进程控制块。（4）将新进程插入就绪队列。PCB的初始化①初始化标识信息。②初始化处理机状态信息。③初始化处理机控制信息。引起进程终止的事件正常结束异常结束外界干预①越界错误。②保护错。③非法指令。④特权指令错。⑤运行超时。⑥等待超时。⑦算术运算错。⑧I/O故障。①操作员或os干预。②被父进程终止③父进程终止进程的终止过程从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态。若处于执行状态，终止该进程的执行，并置调度标志为真，重新调度。若有子孙进程，将所有子孙进程终止。将进程全部资源归还其父进程或系统。将其PCB从所在队列（或链表）中移出引起阻塞和唤醒的事件请求系统服务启动某种操作新数据尚未到无新工作可做进程阻塞过程入口保存当前进程的CPU现场置该进程状态进入等待队列转进程调度由阻塞原语BLOCK完成进程唤醒过程入口从等待队列中摘下被唤醒进程置该进程为就绪态进入就绪队列转进程调度或返回由唤醒原语WAKEUP完成注意BLOCK和WAKEUP是一队作用相反的原语。如果在某进程中调用了阻塞原语，则必须在与之相合作的另一进程中或其他相关的进程中，安排唤醒原语，以能唤醒阻塞进程；否则，被阻塞进程将会因不能被唤醒而长久地处于阻塞状态，从而再无机会继续运行。谢谢收看操作系统第6讲哈尔滨工业大学张英涛操作系统第7讲主讲人：张英涛哈尔滨工业大学远程教育课程进程的挂起挂起原语：SUSPEND（）挂起原语的执行过程：检查被挂起进程的状态，若处于活动就绪状态，改为静止就绪；若处于活动阻塞状态，则改为静止阻塞；若正在执行，则转向调度程序重新调度。有挂起状态的进程状态图静止就绪活动阻塞执行活动就绪静止阻塞挂起挂起挂起进程的激活状态图静止就绪活动阻塞执行活动就绪静止阻塞激活激活调度有挂起状态的进程状态图静止就绪活动阻塞执行I/O请求活动就绪静止阻塞挂起挂起激活挂起激活调度释放释放进程的两种制约关系间接制约:进程间由于共享某种系统资源，而形成的相互制约。直接制约：进程间由于合作而形成的相互制约。进程B资源进程A进程A进程B进程的两大关系互斥同步互斥互斥是并发执行的多个进程由于竞争同一资源而产生的相互排斥的关系同步同步是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系——同步进程间具有合作关系——在执行时间上必须按一定的顺序协调进行临界资源一次仅允许一个进程使用的共享资源如：打印机、磁带机、表格临界区在每个进程中访问临界资源的那段程序进程必须互斥进入临界区访问临界区的循环进程描述repeat进入区临界区退出区剩余区检查临界资源是否能访问将临界区标志设为未访问untilfalse;同步机制遵循的原则①空闲让进②忙则等待③有限等待④让权等待信号量机制中心街道楼宇1小区A小区B城市公路进程信号量信号量是一种数据结构信号量的值与相应资源的使用情况有关信号量的值仅由P、V操作改变谢谢收看操作系统第7讲哈尔滨工业大学张英涛操作系统第8讲主讲人：张英涛哈尔滨工业大学远程教育课程整型信号量整型数SP操作（wait）原语V操作（signal）原语Wait（S）:whileS≤0dono-opS:=S-1;Signal（S）:S:=S+1;wait（s）和signal（S）是原子操作.只要信号量S≤0就不断测试，不满足让权等待.记录型信号量记录型结构，包含两个数据项：typesemaphore=recordvalue:integer;L:listofprocess;endValueLSS.value为资源信号量其初值：某类资源的数目wait操作：申请一个单位资源Procedurewait(s)VarS:semaphore;beginS.value:=S.value-1;IfS.value0thenblock(s,L)endsignal操作：释放一个单位资源Proceduresignal(s)VarS:semaphore;beginS.value:=S.value+1;IfS.value≤0thenwakeup(s,L)endS.value≥0：表示系统中可用的资源数量S.value0：其绝对值表示已阻塞的进程数量S.Value初值为1时：只允许一个进程访问临界资源，