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1、操作系统实 验 指 导 书教 案目 录实验一3实验二8实验三13实验四14实验五16实验六18实验一 进程管理与控制一、 实验目的进程管理是操作系统多用户与多任务管理的基本重要手段，用户作业与任务进入内存后采用进程模式进行管理，利用不同进程对资源的不同要求实现进程的并发管理是提高系统效率的有效途径。本实验的目的是要求学生通过实验全面了解进程管理与控制的相关内容，并通过Windows 2000系统中管理控制工具观察进程，分析系统性能。二、 实验要求1、 应用操作系统原理模拟程序进一步体会进程管理与控制的相关原理，如PCB、进程基本状态及其状态转换、进程控制、进程互斥与进程同步。2、 启动一个或多
2、个应用程序，通过Windows 2000系统任务管理器，观看程序、进程和性能标签，并完成实验记录。三、 实验过程1、 启动操作系统原理模拟程序系统，选择进程管理与控制模块，创建一组进程，完成进程调度、进程阻塞、唤醒、撤销等控制任务。2、 打开进程互斥模块，体会进程互斥原理及信号量机制。3、 打开进程同步模块，体会进程同步原理。4、 关闭操作系统原理模拟程序系统。5、 启动一个或多个应用程序，鼠标右键点击任务栏，在快捷菜单中选择任务管理器，观察程序、进程和性能标签。6、 选择任务管理器查看菜单(在进程标签选择后)，单击“选择列”进行添加进程计数器操作。7、 启动控制面板，点击“管理工具”图标，选
3、择“性能”，启动系统性能监视器。8、 在属性中为“PROCESS”和“THREAD”对象添加相应的计数器，监视进程工作状态。9、 通过Windows 2000系统帮助文件，查找相关内容，并完成实验记录。四、 实验记录五、 实验练习1、 选择任务管理器进程标签，添加“页面错误增量”列，并启动应用程序进行观察。2、 什么是句柄？有什么用途？3、 线程与进程有什么区别？六、 实验小结附: Windows NT中的进程知识一、进程1、定义：Windows NT中进程被定义为表示操作系统所要做的工作，是操作系统用于组织其必须完成的诸项工作的一种手段。 2、 NT中的进程由以下四个部分组成： （1）一个可
4、执行的程序：它定义了初始代码和数据； （2）一个私用地址空间：即进程的虚拟地址空间； （3）系统资源：由操作系统分给进程，并且是进程执行时所必须的一个资源的集合；（4）至少有一个执行线程。二、线程 1、定义：进程内的一个执行单元；进程内的一个可调度实体。 2、线程的组成： （1）一个唯一标识符，称之为客户ID； （2）描述处理器状态的一组状态寄存器的内容（相当于“老程序状态字”的意思； （3）两个栈，分别用于用户态和核心态下执行时使用； （4）一个私用存储器。为什么NT要推出线程来实现并行性呢？问题是因为两进程来实现并行性并不总是有效的。以UNIX为例，当一个进程创建一个子进程时，系统必须将父
5、进程地址空间的所有内容拷贝到新进程的地址空间中去。这对大地址空间来说，这操作很费时，更何况两进程还需要建立共享数据。如果用多线程不实现并行性要有利得多，因为这些线程共享进程的同一地址空间、对象句柄以及其它资源，所以没有用进程来实现并行性所存在的缺点，此外还有如下的优点：（1） 通过线程可方便而有效地实现并行性，进程可创建多个线程来执行同程序的不同部分，如一个编译进程可创建预处理线程和编译线程这样两线程。（2）创建线程比创建进程要快，而且只需很少的开销，因为所有线程除栈和寄存器内容外共享同一主存，不需特殊的数据传送机制（如发消息），一个线程只需简单地把输出写入主存，另一线程可以读出作为输入。而且
6、进程的资源线程都可用。（3）创建多线程进程，对多个用户同时提出服务请求时的回答也十分有利，因为服务器程序只被装入主存一次，就可使每个客户的服务请求分别由一个独立的服务器线程，通过执行适当的服务器功能，并行地为客户进行处理。NT的线程有些什么特点呢？（1）线程也是作为对象来实现。（2）每个NT进程创建时只有一个线程，需要时这个线程可以创建其它线程；（3）线程调用系统服务是采用陷阱（trap）方式。线程对象类对象类线程对象体属性客户ID线程描述表动态优先级基本优先级线程处理器表线程执行时间报警状态挂起记数模仿令牌终止端口线程退出状态服务创建线程打开线程查询线程信息当前线程终止线程取得描述表置描述表
7、挂起重新开始报警线程检测线程警报寄存器终止端口（4）线程是调度的基本单位，线程之间竞争处理机，为防止一个线程独占处理机，采用可抢占的优先级调度算法。（5）线程在它的生命周期间有六种状态的变化，每一时刻处于六种状态之一。（6）由于NT的调度程序只在线程（而不是进程）中挑选合适的线程到处理机上运行，所以每个进程在可以执行前，至少必须调度一个线程，NT进程只有在它的一个线程被调度执行才被激活。（7）用户态进程的线程主要在用户态处理器模式下运行。三、进程和线程的关系（1）线程是进程的一个组成部分；（2）进程的多个线程都在进程的地址空间活动；(3) 资源分配的对象是进程，换句话说，资源是分给进程的，而不
8、是分给线程的，并系统还为分给进程的资源规定配额；（4）调度的基本单位是线程。也就是说，处理机是分给线程的，真正在处理机上执行的是线程（从某种意义上说，进程不干活，它只通过线程工作），线程在执行中需要资源时，系统分给它，但从进程的配额中扣除；（5）线程在执行过程中，需要协作同步，在不同进程的线程间同步要用消息通信办法。四、线程的六个状态（1）就绪状态；（2）备用状态；（3）运行状态；（4）等待状态；（5）转换状态；（6）终止状态。实验二 内存管理一、 实验目的通过本次实验，掌握存储管理的基本原理，理解虚页式存储管理系统中作业分页与内存分块的对应关系及页表的作用，并利用Windows 2000系统
9、中管理控制工具观察内存使用情况，监测内存状态。二、 实验内容1、 应用操作系统原理模拟程序系统，进一步体会虚页式存储管理得相关原理。2、 查看系统物理内存、虚拟内存和核心内存的大小。3、 启动一个或多个应用程序，通过Windows 2000系统任务管理器，观看程序、进程和性能标签，并完成实验记录。三、 实验过程1、 启动操作系统原理模拟程序系统的存储管理模块，按照虚页存储管理原理完成例题所给作业序列的访问，统计缺页次数。2、 关闭操作系统原理模拟程序系统。3、 打开任务管理器察看内存状态，记录物理内存和核心内存容量。4、 打开控制面板，选择系统的高级标签，在性能选项中观察系统的虚拟内存容量。5
10、、 启动系统性能监视器，为“MEMORY”对象添加 “AVAILABLE BYTES” 计数器，观察其值得变化是否在一个稳定的区间，大约为多大？6、 再为“MEMORY”对象添加“PAGES/SEC”计数器，观察页面调度情况，做好记录。四、 实验记录1、 操作系统原理模拟程序系统的存储管理模块中所给例题产生的缺页此书为多少？2、 你所用的实验机的物理内存、虚拟内存和核心内存分别为多大？3、MEMORY对象 “AVAILABLE BYTES”计数器的值为多少？4、MEMORY对象“PAGES/SEC”计数器的值为多少？五、 实验小结附：内存管理基本原理（）虚拟内存管理。NT技术使用对系统中所有应
11、用程序都能适用的平面线形4GB大小的虚拟内存模式和地址空间，进程都可以获得4GB的内存，其中2GB用于内核模式执行进程，2GB以用户模式执行进程。最新Windows2000操作系统支持的内存范围已经超过了这个值。（）Windows2000凭借虚拟内存技术，通过页调度文件提供比机器现有物理内存更多的内存用于系统功能和应用程序。程序使用虚拟内存而不是物理内存进行数据的存取，当应用程序试图访问实际物理内存中的数据时，操作系统将虚拟内存转换为实际物理内存地址，这一过程，对用户来说是透明的。（虚拟内存管理器）。 （3）NT的设计者认为，虚拟空间的线性模式远比分段模式更与主存的实际结构（单字节的存储单元的
12、连续集合）相吻合，所以决定采用“请求分页的虚拟存储管理技术”。固定页面区页交换区直接映射区页交换区FFFFFFFFHC0000000H80000000H00000000H系统存储区用户存储区图 虚拟地址空间系统区分为三个部分：最上部的固定页面区（称为非页交换区）用以存放永不被换出内存的页面，这些页面中存放系统中需常驻内存的代码（如实现页面调度的代码）。而第二部分称为页交换区，用于存放非常驻内存的系统代码和数据。第三部分称为直接映射区是比较特殊的，首先这一区域的寻址是由硬件直接交换的，其次这些页面常驻内存，永不“失效”。因此存取这一区域的数据特别快，用以存放NT内核中需频繁使用、响应速度快的那些
13、代码，如调度线程执行的代码。（4）NT虚拟分页的地址变换机构虚拟分页技术的实现应包括地址变换机构与页面调度策略两方面。NT的地址变换机构不同于传统的页面地址变换机构，它采用一种称为两级页表结构的技术，这也是比较特殊的，具体实现如下图，第一级表叫页目录，每个进程一个页目录每个页目录均包含1024个表目，每个页目录表指出其第二级页目表所在的页架号（也称页表地址）。第二级页表中也包含有1024个表目，每个表目大小是4个字节，因此第二级页表均为4KB大小（恰好占一页空间），这些特点从图中虚拟地址结构中完全可以看出。在系统中有控制寄存器指出进程的页目录地址即页目录所在的页架号，由第22位到第31位）；页
14、表位移（10位，由第12位到21位）；页内位移（12位，由第0位到11位）。地址变换机构将寄存器中的页目录地址中包含有页表位移（同理左移二位）拼成页表中目标表目地址，其中包含有该页所在的页架号。最后将此页架号与页内位移拼成主存的绝对地址，从而访问主存。NT技术还采用快表和使用高速缓存技术。即使用高速相关存储器来存放经常使用的页表表目，在微处理器和主存间设置32KB或64KB的高速缓冲存储器，大部分的指令和数据取自高速缓存（命中率98%）。所以存取数据和指令速度相当高，达到与处理器速度完全相匹配。：指由两个地址拼接而成主存页表页目录0112131目录位移页表位移页内位移虚拟地址页表地址页架号地址页目录地址图 二级页表地址变换机构（5）NT页面调度算法页面调度策略包括取页策略、置页策略和淘汰（置换）策略。取页策略分“提前取页”和按进程需要的“请求取页”两种策略。页NT采用的既按进程需要是的请求取页，又采取集群方法把一些页面提前装入主存。集群方法提前取页的含意是当一人线程发生缺页时，不但把它所需的页装入主存，而且把该页附近的一些页也一起装入主存。 这样做的主要根据是程序行为的局部特性。因此装入一簇虚页
