操作系统第三章ppt课件.ppt

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1、1 1 操作系统的目标和作用 三 操作系统 operating system 定义 它是计算机系统中的一个系统软件 它管理和控制计算机系统它是计算机系统中的一个系统软件 它管理和控制计算机系统 中的硬件及软件资源 合理地组织计算机工作流程以便有效地利用中的硬件及软件资源 合理地组织计算机工作流程以便有效地利用 这些资源为用户提供一个功能强大 使用方便和可扩展的工作环境这些资源为用户提供一个功能强大 使用方便和可扩展的工作环境 从而在计算机与其用户之间起到接口的作用 从而在计算机与其用户之间起到接口的作用 1 2 人工操作方式的特点 缺点 CPU等待用户 CPU利用率低 用户独占全机 资源效率低

2、 每一用户都要自行编写涉及到硬件的源代码 工作 量大 难度高 易出错 2 3 单道批处理的主要问题 CPU和I O设备使用忙闲不均 取决于当前作 业的特性 对计算为主的作业 外设空闲 对I O为主的作业 CPU空闲 3 1 2 3 多道批处理系统 60年代中 70年代中 集成电路 1 多道批处理的运行特征 多道 内存中同时存放几个作业 宏观上并行运行 都处于运行状态 但都未运行完 微观上串行运行 各作业交替使用CPU 多道程序设计原理 在计算机内存中同时存放几道 相互独立的程序 它们在管理程序的控制下相互穿插地 运行 共享CPU和外设等资源 采用多道程序设计技术 的批处理系统称为多道批处理系统

3、 4 2 多道批处理系统的特点 多道 多道指某个作业占用CPU 若由于某种原因暂时 不用CPU 则系统让第二个作业占用CPU 无序性 调度性 作业调度 进程调度 5 4 多道批处理系统的优缺点 优点 资源利用率高 CPU和内存利用率较高 作业吞吐量大 单位时间内完成的工作总量大 缺点 用户交互性差 批处理系统的主要问题与用户不能交互 用 户一旦把他的作业提交给系统后 便失去了对自己作业的控 制和修改能力 不利于调试和修改 所以 批处理系统一般 用于运行常规调试好的程序 如每天的计算机系统统计 分 析程序等 作业平均周转时间长 短作业的周转时间显著增长 适合大型科学计算 数据处理 6 3 多道批

4、处理系统的资源利用 7 3 多道批处理系统的资源利用 8 1 2 4 分时系统 时间片 是把计算机的系统资源 尤其是 CPU时间 进行时间上 的分割 每个时间段称为一个时间片 每个用户依次轮 流使用时间片 分时技术 把处理机的运行时间分为很短的时间片 按时间片轮流 把处理机分给各联机作业使用 分时操作系统 是一种联机的多用户交互式的操作系统 一般采用 时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务 对每个用户能保证足够快的响应时间 并提供交互 会话能力 设计目标 适应用户人机交互需要而出现的 实现对用户的请求及时响应 并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率 如何实现 主要采用时钟和中断技术 系统配

5、置多路卡及时接受各终端输 入命令和数据 应用范围 适合办公自动化 教学及事务处理等要求人机会话的场合 9 6 影响响应时间的因素 终端数目多少 调度算法 时间片的选取 信息交换量和信息交换速度 机器处理能力 请求服务的时间长短及服务请求的分布 10 1 2 5 实时系统 实时 是表示 及时 而实时系统 Real Time System 是指系统能及时响应外 部事件的请求 在规定的时间内完成对该事 件的处理 并控制所有实时任务协调一致地 运行 特点 及时性要求高 系统可靠性高 但 交互作用能力较差 11 2 实时操作系统主要追求目标 对外部请求在严格时间范围内作出反应 高可靠性 安全性 完整性

6、实时系统必须和先进的技术装备相结合 12 3 分时系统与实时系统的比较 1 系统的设计目标不同 分时系统是提供一种随时可供 多个用户使用的通用型很强的操作系统 而实时操作 系统大多数是具有特殊用途的专用系统 2 互性的强弱 分时具有较强的对话与交互能力 而实 时系统交互性很弱 3 响应时间的长短 分时只要能满足一般用户能接收的 等待时间即可 而实时系统的相应时间要求严格 4 分时系统控制听主动权在计算机 计算机按一定时间 间隔 以固定时间片或不固定时间片去轮流完成多个 提交的任务 而实时系统控制的主动权在用户 用户 规定什么时间要计算机干什么 13 构造层次结构OS分层原则 1 把与机器硬件有

7、关的程序模块放在最底层 2 反映系统外特性的软件放在最外层 3 为进程的正常运行创造环境和提供条件的内核程序应该 尽可能放在底层 4 按照实现操作系统命令时模块间的调用次序或按进程间 单向发送信息的顺序来分层 3 层次式结构的操作系统 14 1 6 操作系统的结构 现代操作系统从内部结构分 通常包含两部分 一 是内核 二是核外部分 其通常是一些实用程序 1 操作系统的内核 操作系统内核是计算机硬件的第一 次扩充 内核执行操作系统与硬件关系密切 执行频率 高的模块 常驻内存 1 内核在操作系统中的地位 OS内核是对硬件的首次扩充 是实现操作系统各项功 能的基础 UNIX为例 一 支撑功能 包括中

8、断处理 时钟管理 原语操作 二 资源管理功能 包括进程管理 存储器管理 设备管 理 15 内核的执行特点 由中断驱动的 中断 内核 退出 内核执行是连续的 内核执行过程中在中断屏蔽状态下 内核使用特权指令 16 3 进程的特征 动态性 进程的实质是程序的一次执行过程 进程是动态产生 动态消亡的 进程在其生命周期内 在三 种基本状态之间转换 并发性 内存中同时有多个进程 各进程并发执行 独立性 进程是一个能独立运行的基本单位 同时也 是系统分配资源和调度的独立单位 异步性 由于进程间的相互制约 使进程具有执行的 间断性 即进程按各自独立的 不可预知的速度向前 推进 结构特征 为了控制和管理进程

9、系统为每个进程设 立一个进程控制块 PCB 17 2 进程状态转换条件 在进程运行过程中 由于自身进展情况及外界 环境的变化 这三种基本状态可以依据一定的条件 相互转换 就绪 运行 调度程序选择一个新的进程运行 运行 就绪 运行进程用完了时间片 运行进程被中断 因为一高优先级进程处于就绪 状态 18 进程状态转换条件 续 运行 阻塞 当一进程必须等待时 OS尚未完成服务 对一资源的访问尚不能进行 初始化I O 且必须等待结果 等待某一进程提供输入 进程在运行中出故障 程序错 内存校验 错 阻塞 就绪 当所等待的事件发生时 故障排除 19 6 细分的进程调度状态 挂起状态 由于终端用户及操作系统

10、的需要 排除故障或为系统减 负 为了能够将指定进程暂时静止下来 增加了静止 阻塞 阻塞挂起 和静止就绪 就绪挂起 态 原阻塞 和就绪改称为活动阻塞和活动就绪状态 运行或活动就绪 静止就绪 活动阻塞 静止阻塞 通过挂起操作 suspend 静止就绪 活动就绪 静止阻塞 活动阻塞 通过激活操作 activate 静止阻塞 静止就绪 当等待的事件发生时 2 1 4 进程的特征与状态 20 2 转换 挂起 Suspend 把一个进程从内存转到外存 可能有以下 几种情况 阻塞到阻塞挂起 没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多内存资 源时 会进行这种转换 以提交新进程或运行就绪进程 就绪到就绪挂起 当有高

11、优先级阻塞 系统认为会很快就绪的 进程 和低优先级就绪进程时 系统会选择挂起低优先级就绪进程 运行到就绪挂起 对抢先式分时系统 当有高优先级阻塞挂起进程因 事件出现而进入就绪挂起时 系统可能会把运行进程转到就绪挂起状 态 激活 Activate 把一个进程从外存转到内存 可能有以下几 种情况 就绪挂起到就绪 没有就绪进程或挂起就绪进程优先级高于就绪进程 时 会进行这种转换 阻塞挂起到阻塞 当一个进程释放足够内存时 系统会把一个高优先 级阻塞挂起 系统认为会很快出现所等待的事件 进程 21 信号量的使用 必须置一次且只能置一次初值 初值不能为负数 只能执行P V操作 22 一 进程互斥 临界资源

12、 一次仅供一个进程使用的资源 硬资源 如打印机 磁带机 软资源 内存里的数据结构 在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界 区 多个进程的临界区称为相关临界区 23 设s为一个整型量 P和V操作原语定义 P s while s 0 do null operation s s 1 V s s s 1 1 整型信号量 1 信号量定义 信号量 除初始化外 仅能通过同步原语 P V操作 访 问的整型变量 信号量说明 semaphore s 24 P V操作讨论 1 信号量的物理含义 S 0表示有S个资源可用 S 0表示无资源可用 S 0则 S 表示S等待队列中的进程个数 P S 表示申请一个资源 V S

13、表示释放一个资源 信号量的初值应该大于等于0 2 P V操作必须成对出现 有一个P操作就一定有一个V操作 当为互斥操作时 它们同处于同一进程 当为同步操作时 则不在同一进程中出现 如果P S1 和P S2 两个操作在一起 那么P操作的顺序至 关重要 一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时同步P操 作在互斥P操作前 而两个V操作无关紧要 25 例例1 1 司机司机 P1P1 售票员售票员 P2P2 REPEAT REPEATREPEAT REPEAT 启动启动 关门关门 正常运行正常运行 售票售票 到站停到站停 开门开门 UNTIL FALSE UNTIL FALSEUNTIL FALSE UN

14、TIL FALSE 司机启动车辆的动作必须于售票员关车门的动作取 得同步 售票员开车门的动作也必须与司机停车取 得同步 问 1 汽车行进中 售票员能开 门吗 2 乘客上下车 时司机能开 车吗 26 u设信号量 uS1 是否允许司机启动汽车 初值为0 uS2 是否允许售票员开门 初值为0 Driver While 1 P S1 启动汽车 正常行车 到站停车 V S2 Busman While 1 关车门 V S1 售票 P S2 开车门 上下乘客 Int s1 0 Int s2 0 Main Cobegin Driver Busman Coend 27 用前趋图来描述诸进程合作完成某一任务的次

15、序 28 1 说明进程的同步关系 进程P1 P2可并行执行 P3的执行 必须等待P1 P2都完成后才能开始 执行 2 设置信号灯 说明含义 初值 s13 0 表示进程P1尚未执行完成 s23 0 表示进程P2尚未执行完成 29 P1 v s13 P2 v s23 P3 p s13 p s23 3 写出程序描述 30 桌上有个只能盛得下一个水果的空盘子 爸爸可向盘中放苹 果或桔子 儿子专等吃盘中的桔子 女儿专等吃盘中的苹果 规定 当盘子空时 一次只能放入一个水果供吃者取用 试 用信号量和P V操作实现爸爸 儿子和女儿这三个循环进 程之间的同步 v本题属于生产者 消费者问题的变形 相当于一个能 生

16、产两种产品的生产者 爸爸 向两个消费者 儿子和女 儿 提供产品的同步问题 因此 可参考生产者与消费者 问题的解法 31 解答 所用信号量设置如下 同步信号量empty 初值为1 表示盘子是空 的 即儿子或女儿已把盘中的水果取走 同步信号量orange 初值为0 表示爸爸尚 未把桔子放入盘中 同步信号量apple 初值为0 表示爸爸尚未 把苹果放入盘中 32 使用信号量机制的三个进程的同 步描述如下 爸爸进程 P 儿子进程 C1 女儿进程 C2 P empty P orange P apple 将水果放入盘中 从盘中取出桔子 从盘中取出 苹果 若放入的是桔子 V empty V empty 则V orange 吃桔子 吃苹果 否则 V apple 33 在某超市里有一个收银员 且同时最多允许有n个顾客购物 我们可以将顾客和收 银员看成是两类不同的进程 且工作流程如下图所示 为了利用PV操作正确地协调 这两类进程之间的工作 设置了三个信号量S1 S2和Sn 且初值分别为0 0和n 这样图中的a应填写 1 图中的b1 b2应分别填写 2 图中的c1 c2应分别填写 3 1 A P S1 B