1、第4章 资源管理技术,4.1 操作系统的概念4.2 多道程序设计4.3 存储空间的组织,4.1 操作系统的概念,4.1.1 操作系统的功能与任务4.1.2 操作系统的发展过程4.1.3 操作系统的分类,4.1.1 操作系统的功能与任务(1) 管理系统资源。包括对CPU、内存储器、输入输出设 备、数据文件和其他软件资源的管理。(2) 为用户提供资源共享的条件和环境，并对资源的使 用进行合理调度。(3) 提供输入/输出的方便环境，简化用户的输入输出工 作，提供良好的用户界面。(4) 规定用户的接口，发现、处理或报告计算机操作过 程中所发生的各种错误。,操作系统是用以控制和管理系统资源、方便用户使用
2、计算机的程序的集合。,1. 处理机管理 2. 存储器管理3. 设备管理 4. 文件管理 5. 作业管理,操作系统的功能和任务主要有以下五个方面：,4.1.2 操作系统的发展过程1. 手工操作阶段 (1) 由于单个用户独占计算机的所有资源，从而造成资 源得不到充分利用；(2) 由于用户直接使用计算机硬件资源，因此，要求用 户熟悉计算机各部分的细节，这就导致使用很不方 便，也容易出错；(3) 由于进行手工联机操作，人工干预多，造成辅助时 间长。,2. 成批处理系统,解决人工干预过多的问题，实现作业之间转接的自动化，缩短转接时处理机的等待时间，发挥计算机的效率。,脱机批处理系统模型,3. 执行程序系
3、统处理主机和外部设备在速度上不匹配的问题。通道是一种硬件机构，它独立于处理机而直接控制输入、输出设备与内存之间的数据传送。中断是外界（如输入、输出设备，通道等）向主机报告信息的一种通信方式。,输入输出与主机并行工作示意图,4. 多道程序系统的引入所谓多道程序技术，是指在计算机内存中同时存放多道相互独立的程序，它们在操作系统的控制下，共享系统的硬件和软件资源。,并发程序运行示意图,第4章 资源管理技术,12,例： 有三个程序A，B，C，它们使用同一个设备进行I/O操作，并按A，B，C的优先次序执行。这三个程序的计算和I/O操作时间如下表所示。假设调度的时间不计，请分别划出单道程序环境下和多道程序
4、环境下，它们的运行时间关系图，并比较总的运行时间。,第4章 资源管理技术,13,4.1.3 操作系统的分类1. 多道批处理操作系统“多道”是指在计算机内存中存入多个用户作业。“批处理”是指这样一种操作方式，在外存中存入大量的后备作业，作业的运行完全由系统控制，用户与其作业之间没有交互作用，用户不能直接控制其作业的运行，通常称这种方式为批操作或脱机操作。,2. 分时操作系统在分时系统中，多个用户分享使用同一台计算机，即在一台计算机上联接若干台终端，每个用户可以独占一台终端。所谓分时，是指若干个并发程序对CPU的分时，其中每个程序对CPU的时间分享单位称为时间片。例如，设时间片长度为100毫秒，现
5、有10个用户，则操作系统对每个用户的平均响应时间为10100毫秒1秒。也就是说，每个用户依次轮流使用100毫秒的时间片。,(1) 同时性。即若干远、近程终端上的用户，在各自的 终端上同时使用一台计算机。(2) 独立性。即同一台计算机上的用户在各自的终端上 独立工作，互不干扰。(3) 及时性。即用户可以在很短的时间内得到计算机的 响应。(4) 交互性。即分时系统提供了人机对话的条件，用户 可以根据系统对自己请求的响应情况，继续向系统 提出新的要求，便于程序的检查和调试。第一个分时操作系统就是UNIX操作系统。,特点：,3. 实时操作系统所谓实时，是指对随机发生的外部事件作出及时的响应并对其进行处
6、理。实时系统分为实时过程控制系统和实时信息处理系统两类。前者用于工业生产的自动控制，后者用于数据处理、情报资料查询处理,思考：与分时系统的区别,4. 通用操作系统将上面这些系统的功能组合起来使用，从而形成通用操作系统,5. 优良的操作环境多窗口系统所谓多窗口，就是把计算机的显示屏幕划分出多个区域，每个区域称为一个窗口，每个窗口负责处理和显示某一类信息。从不同角度看，多窗口系统有以下三种不同的认识：(1) 从用户或应用的角度来看，多窗口系统是用户可以 同时运行多道程序的一个集成化环境。(2) 从软件开发者的角度来看，多窗口系统作为集成化 的环境能够在无关程序之间共享信息。(3) 一般可以认为，多
7、窗口系统是提供友善的、菜单驱 动的、常常有图形能力的用户界面的操作环境。,(1) 它们都要提供资源访问能力，同时还要保证用户对 资源的共享。操作系统提供存储器、输入/输出设备 等资源的共享，多窗口系统提供窗口、时间等资源 的共享。(2) 多窗口系统可以同时运行多任务，使其具有分时操作系统的特征。(3) 由于多窗口系统按用户产生的事件来调度各个任务， 而用户产生的事件实质上是应该立即处理的中断请 求，因此，这种处理方式又使其与实时操作系统相 接近。多窗口系统实际上是一种功能很强的操作系统。,多窗口系统与操作系统之间的相似之处：,(1) 灵活、方便的窗口操作(2) 弹出式菜单(3) 命令对话框多窗
8、口系统能提供将多个作业同时展现在用户面前的操作环境，每个作业占据一个窗口，用户可以交替地与各个窗口进行对话，各窗口之间也可以互相通信、交换信息。,向用户提供友好界面是多窗口系统的基本出发点，体现在以下几个方面：,4.2 多道程序设计,4.2.1 并发程序设计4.2.2 进程4.2.3 进程之间的通信4.2.4 多道程序的组织,4.2.1 并发程序设计顺序程序的特点：(1) 程序的顺序性(2) 顺序程序的封闭性(3) 顺序程序的可再现性,顺序程序的三种常见类型,第4章 资源管理技术,25,程序顺序执行例1设有一个程序有三个程序段，分别执行I(输入)、C（计算）和P（输出）操作。执行顺序为： I
9、C P 数据 结果 程序顺序执行例2假设有n个作业，每个作业都由三个程序段：输入段li、计算段Ci、输出段Pi。在早期单道程序系统中，作业执行流为：,第4章 资源管理技术,26,多道程序系统中程序执行过程 程序并发执行举例示意图：设有三个程序，他们的执行步骤和顺序相同，都是li（输入）、Ci(计算)、Pi（输出）。当第一个程序的输入操作l1执行完、执行C1时，输入机空闲，这时候可以执行第2个程序的输入操作l2；在时间上，操作C1和l2时重叠的。,第4章 资源管理技术,27,多道程序系统中程序执行环境的变化(1) 独立性：程序在逻辑上是独立的(2) 随机性：程序与数据的输入与执行是随机的(3)
10、资源共享性：硬件、软件,(1) 并发程序没有封闭性（运行结果与运行速度有关）,为了利用资源，提高效率，硬件上采用通道、中断技术，软件上采用多个程序并发执行。,第4章 资源管理技术,29,(2) 程序与其执行过程不是一一对应的关系,(3) 程序并发执行可以互相制约,第4章 资源管理技术,32,程序并发执行所带来的影响 资源共享与资源的竞争例：设有栈S，栈指针top，栈中存放内存中相应的数据块地址，设有两个程序段getaddr（top）和reladdr（blk），其中get从给定的top所指栈中取出相应的内存数据块地址，而rel则将内存数据块地址放入栈S中。两个程序段描述如下：Procedure
11、getaddr(top) procedure reladdr(blk) begin begin local r top - top+1 r - top top - blk top 0）与一群生产者进程P1，P2，Pm和一群消费者进程C1，C2，Ck联系起来。 设生产者进程和消费者进程是相互等效的，是一个同步问题，必须满足下面条件： 1）消费者想接受数据时，有界缓冲区中至少有一个单元是满的。 2）生产者想发送数据时，有界缓冲区中至少有一个单元是空的。 3）由于有界缓冲区是临界资源，因此，各生产者和各消费者进程之间必须互斥执行。,第4章 资源管理技术,62,生产者-消费者问题 设公用信号量mute
12、x保证生产者进程和消费者进程之间的互斥。设信号avail为生产者进程的私用信号量，信号量full为消费者进程的私用信号量，avail表示缓冲区中空单元数，初值为n；full表示缓冲区中非空单元数，初值为0，mutex表示可用缓冲区，初值为1。从而P，V描述为： deposite(data) remove(data),begin P(avail) P(mutex) 送数据入缓冲区某单元 V（full）V（mutex）end,begin P(full) P(mutex) 送数据入缓冲区某单元 V（avail）V（mutex）end,第4章 资源管理技术,63,3. 进程的通信,（1）低级通信（2）
13、高级通信 消息缓冲通信 管道通信 信箱通信,消息缓冲通信,消息缓冲是进程之间的高级通信工具。发送进程直接发送一个消息给接收进程。所谓消息实际上就是进程之间相互传送的赖以发生交互作用的有结构的数据。,发送消息进程A的操作如下：(1)在本进程空间内开辟一个发送区；(2)把要发送的消息正文以及接收进程的名字B和消息长度填入发送区；(3)用发送原语把消息发送出去。 发送原语的形式为 SEND（发送区起始地址）发送原语的功能是： 申请一个消息缓冲区； 把消息正文和消息长度复制到缓冲区； 查得发送消息进程名A，并填入缓冲区； 将消息缓冲区挂到接收进程B的消息队列末尾（即链尾）；此时若 进程B正因等待消息而
14、处于等待状态，则被唤醒。,接收消息进程B的操作如下：(1) 在本进程空间内指定一个接收区；(2) 用接收原语把消息缓冲区中的消息取到接收区。 接收原语的形式是： RECEIVE（接收区起始地址）接收原语的功能是： 将本进程消息队列队头的缓冲区中的消息发送者、消息长度和 消息正文取到接收区； 释放该消息缓冲区。,第4章 资源管理技术,68,管道通信 是以文件为基础的，所谓的管道，就是连接两个进程之间的一个打开的共享文件。专用于进程间进行数据通信。读写操作必须互斥是用管道，利用外存来进行数据通信。所以数据量大，但是速度慢。信箱通信 又称为间接通信。以发送、接受，回答信件作为通信的基本方式，由发送进
15、程申请一个与接受进程的邮箱，发送进程把消息送往邮箱，接受进程从邮箱中取出消息，从而完成进程间的信息交换。,4.2.4 多道程序的组织处理机的调度如何从大量的后备作业中挑选一些作业进入内存，如何分配CPU等问题，是操作系统中资源管理的一个重要问题。,处理机调度,作业调度,进程调度,作业调度又成为高级调度或宏调度。它的主要任务是，按照一定的原则，从大量的后备作业中选取一些作业，为它们分配内存等必要的资源，建立相应的进程，并为运行完成的作业做好善后处理工作。,第4章 资源管理技术,71,常用的作业调度算法有：(1) 先来先服务调度算法。(2) 短作业优先调度算法。(3) 最高响应比优先调度算法。 响
16、应比是指作业的响应时间与实际运行时间的比值 响应比（作业等待时间作业实际运行时间）/作业实际运行时间(4) 基于优先级的调度算法。（静态和动态）(5) 均衡调度算法。,第4章 资源管理技术,72,调度算法性能的衡量：平均周转时间 周转时间：作业提交到作业完成的时间间隔。 平均周转时间：多个作业的周转时间的平均值。(2) 平均带权周转时间 带权周转时间：作业周转时间与作业实际运行时间的比。 平均带权周转时间：多个作业的带权周转时间的平均值。,第4章 资源管理技术,73,先来先服务调度算法的性能,平均周转时间：T=1.725平均带权周转时间：W=6.875,第4章 资源管理技术,74,例：设有4道
17、作业，它们的提交时间及执行时间如表。试计算在单位程序环境下，采用先来先服务调度算法和最短作业优先调度算法时的平均周转时间和平均带权周转时间，并指出它们的调度顺序。,1、采用先来先服务调度算法，调度顺序为1、2、3、4 平均周转时间T=2.8 平均带权周转时间W=5.25,2、采用短作业优先调度算法，调度顺序为1、4、3、2 平均周转时间T=2.45 平均带权周转时间W=3.85,进程调度又称为低级调度或微调度。它的主要任务是，按照某种原则将CPU分配给处于就绪状态的进程，实现CPU在进程之间的转换。进程调度策略的优劣和CPU在进程之间转换的速度对整个系统性能有很大影响。,第4章 资源管理技术,
18、76,考虑进程调度算法的因素有：1、尽量提高资源利用率，较少CPU空闲时间；2、对一般作业采用较合理的平均响应时间；3、应避免有的作业长期得不到响应的情况。评价算法的优劣，有两个指标：1、平均周转时间（ATT）:进程进入就绪队列到进程运行结束的时间间隔2、响应时间（RT）：指从提交一个请求开始到计算机做出响应的时间，显示结果的时间间隔。,常用的进程调度算法有： (1) 先来先服务调度算法。 (2) 最短CPU运行期优先算法。 (3) 最高优先级算法。 (4) 时间片轮转法等。,4.3 存储空间的组织,4.3.1 内存储器的管理技术4.3.2 外存储器中文件的组织结构,第4章 资源管理技术,79
19、,4.3.1 内存储器的管理技术存储管理功能：(1) 地址变换。(2) 内存分配。(3) 存储共享与保护。(4) 存储器扩充。（自动覆盖技术、虚拟存储器）,第4章 资源管理技术,81,4.3.1 内存储器的管理技术(1) 地址变换（地址重定位）,第4章 资源管理技术,82,4.3.1 内存储器的管理技术地址变换（地址重定位） 静态地址重定位,第4章 资源管理技术,83,4.3.1 内存储器的管理技术地址变换（地址重定位） 动态地址重定位,1. 界地址存储管理（分区存储管理）内存空间被划分成一个个分区，一个作业占用一个分区。当一个作业被调入内存运行时，首先给这个作业分配一个内存分区，同时将该分区
20、的首地址送到BR（基址寄存器），该分区的长度送到LR（限长寄存器或界限寄存器）。在该作业运行过程中，将指令中的有效地址转换成实际的内存地址，其转换的关系为 实际内存地址DBR指令中的有效地址如果BRDBRLR，则按地址D进行访问；如果DBR或DBRLR，则说明地址越界错。,分区分配方式：固定分区和可变分区,第4章 资源管理技术,85,界地址存储管理（分区存储管理） 固定分区,第4章 资源管理技术,86,界地址存储管理（分区存储管理） 可变分区,第4章 资源管理技术,87,界地址存储管理（分区存储管理） 存储分配策略： （1）首次适应算法 （2）最佳适应算法 （3）最坏适应算法,第4章 资源管理
21、技术,88,界地址存储管理（分区存储管理） 存储分配策略：例：某系统采用动态分区分配方式管理内存，内存空间为640KB，高端40KB用来存放操作系统。在内存分配时，系统优先使用空闲低端的空间。对下列的请求序列：作业1申请130KB，作业2申请60KB，作业3申请100KB，作业2释放60KB，作业4申请200KB，作业3释放100KB，作业1释放130KB，作业5申请140KB，作业6申请60KB，作业7申请50KB，作业6释放60KB，分别画图表示出使用首次适应算法和最佳适应算法进行内存分配和回收后，内存的实际使用情况。,2. 分页存储管理作业空间被划分为页，实际的内存空间被划分为块，其中页
22、的大小与块的大小相等。当某个作业被调入内存运行时，由重定位机构将作业中的页映射到内存空间对应的块上。,分页系统中指令有效地址的分解,(1)页表PMT：每一个作业要有一个页表。在页表中，用于记录该作业的每一页的页号（从第0页开始）以及该页是否在内存的标志，如果某页已进入内存，则还记录该页在内存中的块号。(2) 存储分块表MBT。在存储分块表中，记录了内存空间 中每一块的使用情况，系统实际上就是按照这个表 的内容来具体分配或释放内存块。(3) 作业表JT。在作业表中，记录了每个作业的状态与 资源使用的信息，主要包括作业号，页表大小，页 表地址等。,第4章 资源管理技术,92,分页存储管理优点：(1
23、) 由于提供了大容量的虚拟存储器，用户的地址空间 不再受内存大小的限制，大大方便了用户的程序设 计。(2) 由于作业地址空间中的各页面都是按照需要调入内 存的，不用的信息不会调入内存，很少用的信息也 只是短时间驻留在内存，因此更有效地利用了内存。(3) 由于动态分页管理提供了虚拟存储器，每个作业一 般只有一部分信息占用内存，从而可以容纳更多的 作业进入系统，这就更有利于多道程序的运行。,第4章 资源管理技术,94,2. 分页存储管理例：某系统采用页式存储管理策略，拥有逻辑空间32页，每页2KB，拥有物理空间1MB （1）写出逻辑地址的格式。 （2）若不考虑访问权限等，进程的页表有多少项？ 每项
24、至少有多少位？ （3）如果物理空间减少一半，页表结构应相应作怎 样的改变？,第4章 资源管理技术,95,2. 分页存储管理例：某系统采用页式存储管理策略，拥有逻辑空间32页，每页2KB，拥有物理空间1MB （1） （2） （3）,每个进程最多32个页面，因此，进程的页表项最多为32项，若不考虑访问权限，则页表项只需给出页所对应的物理块块号。1MB的物理空间可分为29个内存块，故每个表项至少有9位。,页表项数不变，但每项长度减少1,第4章 资源管理技术,96,2. 分页存储管理例：若在一分页存储管理中，某作业的页表如表所示。已知页面大小为1024字节，试将逻辑地址1011，2148，3000，4
25、000，5012转化为相应的物理地址。,1、30592、11243、19764、70725、页号越界，逻辑地址非法,第4章 资源管理技术,97,2. 分页存储管理例：在一份页存储管理系统中，逻辑地址长度为16位，页面大小为4096字节，现有一逻辑地址为2F6A，且第0，1，2页依次存放在物理地址块5、10、11中，问相应的物理地址为多少？,BF6A,第4章 资源管理技术,98,2. 分页存储管理 页面淘汰算法 1）先进先出（FIFO）淘汰算法 2）最近最久不用页面（LRU）淘汰算法 3）最近最少使用页面（LFU）淘汰算法,3. 分段存储管理 在分段存储管理方式下，分段地址空间是由一些大小不等的
26、段组成的，每一个段是一个可动态增长的线性空间，它对应一个独立的逻辑信息单位，如一个数组、一个子程序或分程序等。在分段地址空间中，指令的有效地址中既要指出段号，又要指出段内的偏移量。,第4章 资源管理技术,100,第4章 资源管理技术,101,4. 段页式存储管理分段系统为用户提供了一个分段地址空间，段是信息的逻辑单位，反映了程序的逻辑结构，因而大大方便了用户的程序设计，但它不利于内存的有效利用。而在分页系统中，页是信息的物理单位，它有利于内存的有效利用，但不利于用户的程序设计。,段页式系统中指令有效地址的分解,第4章 资源管理技术,103,4.3.2 外存储器中文件的组织结构文件是指具有符号名
27、字的一组相关元素的有序集合。文件系统是指负责存取和管理文件信息的软件机构。1. 文件的逻辑结构(1) 记录式文件(2) 无结构文件（流式文件）,2. 文件的物理结构(1) 连续文件（顺序）,(2) 链接文件,(3) 索引文件,文件的多级索引结构,3. 文件的目录管理(1) 简单文件目录 简单文件目录是一种最简单的目录结构，它是一个 线性表，在这个线性表的每一个目录项中包含以 下一些信息： 文件名； 有关文件结构的信息，包括逻辑结构和物理结构； 有关存取控制的信息； 有关管理的信息等。,(2) 二级目录结构,(3) 多级目录结构,4. 文件空闲区的组织（存储空间管理）(1) 空闲文件项和空闲区表
28、(2) 空闲块链(3) 位示图(4) 空闲块成组链接法,块0是作为系统引导用，不属于文件系统管理。块1是文件卷的专用块。它用以记录文件卷总的使用情况，包括文件卷的总块数、索引节点区的大小、文件卷的保护特性等。在专用块中还开辟了一个用于登记空闲块区域的空闲块栈。块2(k1)是索引节点区。这个区的大小是依据系统的使用环境和文件的大小来决定的。例如，如果文件大而数量少，则索引节点区可以小些；反之，则可以大些。块(k2)n是文件存储区（包括存储目录）。块(n1)m是进程对换区，用以保留对换到外存的进程映象。这个区也不属于文件系统管理。,假设文件卷共有4801个物理块，其中块0为系统引导用，块1为专用块
29、，块2110为索引节点区，块1113999为文件存储区，块40004800为进程对换区。文件存储区按如下原则进行组织：从尾向前，每50块分成一组，并且每组的最后一块用于登记下一 组50块的物理块号和块数。最前面不超过50块的那一组（111150）的物理块号及其块数 存放在专用块的空闲块栈中。尾部第一组只有49块，第3950块的第一个元素为0（其余每一元素 对应一个块号），用以表示文件卷的卷尾。分配时，如果遇到块 号为0，则表示此文件卷的空闲区资源已耗尽，此时系统要发警 报，并作特殊处理。,空闲块栈中登记的空闲块区是最近能被分配的空闲块。在初始化后，栈顶指针SP39，如图4(a)所示。,在申请时
30、，只要将当前指针指向的内容（物理块号）取出分配，并记入该文件的活动索引节点的I-addr中，且指针退一（即SPSP1）。如果当前指针为0，则将当前物理块号（150）暂时保存起来，并将150块中的内容取至专用块的空闲块栈中，并置SP49，如图(b)所示。,然后将块150分配出去，记入该文件的I-addr中。图(c)表示,在空闲块释放时，要将指针SP进一（即SPSP1），并将释放的物理块号记入SP指向的那个单元（即压入中）。如果此时栈已满（即SP50），则将专用块中空闲块栈的内容记入要释放的物理块中，且置SP0，然后将释放的物理块号记入SP指向的那个单元（即进行拉链）。,成组链接法及相应的空闲块分配、释放算法具有以下几个优点：通常只需要在专用块中登记一部分空闲块号，其余的 空闲块利用空闲块本身作为临时登记表，并不需要为 拉链花费额外的空间开销。专用块在文件卷启用时就复制到内存中，申请和释放 盘块都在内存中进行，除了在栈满（释放时）或空 （分配时）时需要进行I/O操作外，平时不需要额外的 I/O操作，因而速度比较快。可以从内存的专用块中直接得到物理块号，填入 I-sddr后，即可交设备处理程序处理。,第4章 资源管理技术,122,5. 文件的存储设备1、文件存储设备 磁带 磁盘2、磁盘调度算法 先来先服务 最短寻道时间优先 扫描算法 循环扫描,
