操作系统52进程管理课件

第第5 5章章 操作系统操作系统5.1 概概 述述 5.1.1 操作系统的作用与地位 众所周知，计算机系统由硬件和软件组成。在众多的计算机软件中，操作系统占有特殊重要的地位。图5-1简明地显示了计算机系统的基本构成。这一简图表明：第第5 5章章 操作系统操作系统 (1)操作系统是最基本的系统软件，因为所有其它的系统软件(例如编译程序、数据库管理系统等语言处理器)和软件开发工具都是建立在操作系统的基础之上，它们的运行全都需要操作系统的支持。在计算机启动后，通常先把操作系统装入内存，然后才启动其它的程序。第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。用户及其应用程序是通过操作系统与计算机的硬件相联系的。如果没有操作系统作为中介，用户对计算机的操作和使用将变得非常低效和困难。(3)按照虚拟机(Virtual machine)的观点，操作系统+裸机=虚拟计算机，如图5-2所示。换句话说，一台纯粹由硬件组成的裸机在配置操作系统后，将变成一台与原机器大相径庭的“虚拟”的计算机，无论在机器的功能或操作方面都将面目一新。第第5 5章章 操作系统操作系统 图5-1 计算机系统的基本构成 第第5 5章章 操作系统操作系统图5-2 裸机+操作系统=虚拟计算机 第第5 5章章 操作系统操作系统 由此可见，硬件仅为人们提供了“原始的处理能力”。有了操作系统，才能使这一能力更有效、更方便地为人们使用。鉴于操作系统在计算机系统及软件开发环境中所处的重要地位，任何用户从系统程序员到一般的最终用户(end user)都需要不同程度地了解它。所谓操作系统(OS，Operating System)，它是由一些程序模块组成，用来控制和管理计算机系统内的所有资源，并且合理地组织计算机的工作流程，以便有效地利用这些资源，并为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境。第第5 5章章 操作系统操作系统 操作系统有两个重要的作用：(1)管理计算机系统中的各种资源。我们知道，任何一个计算机系统，不论是大型机、小型机，还是微机，都具有两种资源：硬件资源和软件资源。硬件资源是指计算机系统的物理设备，包括中央处理机、存储器和I/O设备；软件资源是指由计算机硬件执行的、用以完成一定任务的所有程序及数据的集合，它包括系统软件和应用软件。操作系统就是最基本的系统软件，它既是计算机系统的一部分，又反过来组织和管理整个计算机系统，充分利用这些软、硬件资源，使计算机协调一致并高效地完成各种复杂的任务。第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)为用户提供良好的界面。从用户的角度看，操作系统不仅要对系统资源进行合理的管理，还应为用户提供良好的操作界面，便于用户简便、高效地使用系统资源。这里的用户包括计算机系统管理员、应用软件的设计人员等。“管家婆”兼“服务员”，就是操作系统所扮演的一身二任的角色。第第5 5章章 操作系统操作系统 5.1.2 操作系统的功能 操作系统的基本功能就是合理地、高效地管理计算机系统的各种软硬件资源。在单用户系统中，资源管理相对简单一些，而在多用户共用的系统中，资源管理的任务就比较复杂。由于多用户要共享系统资源，就带来了一些新的问题。如多个用户如何抢占CPU时间，有限的存储空间特别是宝贵的内存空间如何分配，如何竞争输入输出设备及软件资源等。第第5 5章章 操作系统操作系统 这就要求操作系统必须有相应的功能，来决定资源共享的策略和有效地解决问题的方法，最大限度地发挥计算机的效率，提高计算机在单位时间内处理工作的能力(称为“吞吐量”，through out)。因此，操作系统应具有的基本功能有：中央处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理及作业管理。第第5 5章章 操作系统操作系统 1中央处理器管理 中央处理器即CPU，是计算机系统中最宝贵的硬件资源。CPU管理指操作系统根据一定的调度算法对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。为了提高CPU的利用率，采用了多道程序技术。如果一个程序因等待某一条件而不能继续运行时，就把处理器占用权转交给另一个可运行程序；或者，当出现了一个比当前运行的程序更重要的可运行的程序时，后者应能抢占CPU。为了描述多道程序的并发执行，就要引入进程的概念，通过进程管理协调多道程序之间的关系，解决对处理器分配调度策略、分配实施和回收等问题，以使CPU资源得到最充分的利用。第第5 5章章 操作系统操作系统 正是由于操作系统对处理器管理策略的不同，其提供的作业处理方式也就不同。例如批处理方式、分时处理方式和实时处理方式，从而呈现在用户面前的就是具有不同性质的操作系统。第第5 5章章 操作系统操作系统 2存储管理 存储管理指分配、回收与保护存储单元。其目的是为多个程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存。第第5 5章章 操作系统操作系统 存储管理主要是指内存管理，虽然RAM芯片的集成度不断地提高，但受CPU寻址能力的限制，内存的容量仍有限。因此，当多个程序共享有限的内存资源时，要解决的问题是如何为它们分配内存空间，同时，既使用户存放在内存中的程序和数据彼此隔离、互不侵扰，又能保证在一定条件下共享，尤其是当内存不够用时，解决内存扩充问题(即将内存和外存结合起来管理)，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器。操作系统的这一部分功能与硬件存储器的组织结构密切相关。第第5 5章章 操作系统操作系统 3设备管理 设备管理主要是对设备进行分配、回收与控制。这里所说的设备是指计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备，除了完成实际I/O操作的设备外，还包括诸如控制器、通道等支持设备。外部设备的种类繁多、功能差异很大。设备管理负责外部设备的分配、启动和故障处理，用户不必详细了解设备及接口的技术细节，就可以方便地对设备进行操作。第第5 5章章 操作系统操作系统 为了提高设备的利用效率和整个系统的运行速度，可采用中断技术、通道技术、虚拟设备技术和缓冲技术，尽可能发挥设备和主机的并行工作能力。此外，设备管理应为用户提供一个良好的界面，使用户不必涉及具体设备的物理特性即可方便灵活地使用这些设备。第第5 5章章 操作系统操作系统 4文件管理 计算机系统中的软件资源(如程序和数据)是以文件的形式存放在外存储器(如磁盘、磁带)上的，需要时再把它们装入内存。文件管理的任务是有效地支持文件的存储、检索和修改等操作，解决文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件。操作系统一般都提供功能很强的文件系统。第第5 5章章 操作系统操作系统 5作业管理 除了上述4项功能之外，操作系统还应该向用户提供使用它自己的手段，这就是操作系统的作业管理功能，作业管理是操作系统提供给用户的最直接的服务。按照用户观点，操作系统是用户与计算机系统之间的接口，因此，作业管理的任务是为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效的组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。操作系统的各功能之间并非是完全独立的，它们之间存在着相互依赖的关系。第第5 5章章 操作系统操作系统 5.1.3 操作系统的类型 操作系统有多种。翻开操作系统的发展史，操作系统经历了手工操作阶段、单道(程序)批处理阶段、多道(程序)批处理阶段、分时系统、实时系统。随着硬件技术的飞速发展，微处理机的出现和发展，操作系统又向个人计算机、计算机网络、分布式处理和智能化方向发展，随着计算机技术和软件技术的发展，目前已经形成了各种类型的操作系统，以满足不同的应用要求。在以下的描述中用到作业的概念，所谓作业就是用户要求计算机处理的一项工作，是用户程序及所需数据和命令的集合。第第5 5章章 操作系统操作系统 1批处理操作系统 所谓批处理操作系统，就是用户将要机器做的工作有序地排在一起，成批地交给计算机系统，计算机系统就能自动地、顺序地完成这些作业，用户与作业之间没有交互作用，不能直接控制作业的运行。有时也称批处理为“脱机操作”。第第5 5章章 操作系统操作系统 在批处理系统中，用户一般不直接操纵计算机，而是将作业提交给系统操作员。操作人员将作业成批地装入计算机，由操作系统将作业按规定的格式组织好存入磁盘的某个区域，然后按照某种调度策略依次将作业调入内存加以处理，处理的步骤事先由用户设定，输出的作业处理结果通常也由操作系统组织存入磁盘某个区域，然后统一加以输出，最后，由操作员将作业运行结果交给用户。第第5 5章章 操作系统操作系统 在批处理系统中，又有单道批处理和多道批处理两种。在单道批处理的情况下，一次只调一个作业进入内存，CPU只为一道作业服务。但是在这个作业运行期间，输入和输出操作是难免的，而实际中I/O的速度要比CPU慢得多，这样就造成了CPU大部分时间在空闲等待。为了解决这一问题，又产生了多道批处理系统。它一次将几个作业放入内存，宏观上看，同时有多个作业在系统中运行，而实际上这些作业是分时串行地在一台计算机上运行。第第5 5章章 操作系统操作系统 也就是说，CPU先处理第一个作业，如果这个作业由于I/O或其它原因而不能继续进行，就从可运行的作业中挑选另一个作业去运行，从表面上看，好象两个作业同时运行。这样做，显然提高了CPU的利用率，改善了主机和I/O设备的使用情况。多道批处理系统追求的目标是提高系统资源的利用率和大的作业吞吐量以及作业流程的自动化。这类操作系统一般用于计算中心等较大的计算机系统中，要求系统对资源的分配及作业的调度策略有精心的设计，管理功能要求既全又强。第第5 5章章 操作系统操作系统 2分时操作系统 多道批处理系统虽然能提高机器的资源利用率，但却存在一个重要的缺点。由于一次要处理一批作业，在作业的处理过程中，任何用户都不能和计算机进行交互。即使发现了某个作业有程序错误，也要等一批作业全部结束后脱机进行纠错。这对于软件开发人员来说，是严重的缺陷。正是这一矛盾，导致了分时操作系统应运而生。第第5 5章章 操作系统操作系统 分时操作系统允许多个用户同时联机与系统进行交互通信，一台分时计算机系统连有若干台终端，多个用户可以在各自的终端上向系统发出服务请求，等待计算机的处理结果并决定下一步的处理。操作系统接收每个用户的命令，采用时间片轮转的方式处理用户的服务请求，即按照某个轮转次序给每个用户分配一段CPU时间，进行各自的处理。这样，对每个用户而言，都仿佛“独占”了整个计算机系统。具有这种特点的计算机系统称为分时系统。第第5 5章章 操作系统操作系统 例如一个带20个终端的分时系统，若每个用户分配一个50 ms的时间片，每隔1 s(50 ms20)即可为所有用户服务一遍。如此周而复始，循环不已。因此，尽管各个终端上的作业是断续地运行，但由于操作系统每次都能对用户程序作出及时的响应(例如上述的1 s)，在用户的感觉上，似乎整个系统归他一人占有。分时系统的这一特性称为“独占性”。第第5 5章章 操作系统操作系统 由上所述，分时操作系统具有以下几个方面的特点。(1)多路性。允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。在微观上，是每个用户作业轮流运行一个时间片；而在宏观上，则是多个用户同时工作，共享系统资源。多路性亦称同时性，它提高了资源利用率。第第5 5章章 操作系统操作系统 (2)独立性。又称独占性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此，用户会感觉到就像他一人独占主机。(3)及时性。系统对用户的输入能及时地做出响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为12 s。分时操作系统性能的主要指标之一是响应时间，即从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。(4)交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。分时系统的主要目标是对用户响应的及时性，即不使用户等待每一条命令的处理时间过长。第第5 5章章 操作系统操作系统 3实时操作系统 实时操作系统是随着计算机应用领域的日益广泛而出现的，具体含义是指系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。实时系统可分为两