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首页西安建大操作系统讲义:进程、线程与调度详解
《西安建筑科技大学操作系统讲义》是一份详细介绍了操作系统基础知识和核心概念的文档,由西安建筑科技大学信息控制学院计算机系编撰。该讲义涵盖了操作系统的基础理论,从概念出发,深入探讨了现代操作系统的特征、目标和主要功能。 讲义首先从第一章“操作系统概述”开始,介绍了操作系统的基本概念,包括其定义、发展历程以及主要分类,如批处理操作系统、单道和多道批处理系统、分时系统、实时操作系统、计算机操作系统、网络操作系统以及分布式操作系统。章节之间对各种类型的系统进行了对比,强调了网络操作系统与分布式操作系统的区别。 第二章重点转向进程管理,讲解了进程的引入、定义和特性,进程的状态转换以及进程控制。此外,还深入讨论了进程同步,如信号量机制和管程机制,通过经典问题如生产者-消费者问题、读者-写者问题和哲学家进餐问题,展示了进程同步在解决并发问题中的应用。进程通信是这一章的另一个关键部分,包括不同类型的通信方式,如直接通信和间接通信,以及消息缓冲队列通信机制。 第三章则聚焦于处理机调度,介绍了处理机调度的类型,如抢占式和非抢占式,以及调度队列模型。详细讲解了常见的调度算法,如先来先服务、短作业优先和时间片轮转算法,这些算法对于理解操作系统如何分配处理器时间至关重要。 整个讲义内容丰富,既覆盖了基础理论,又包含了一些实践性的案例分析,适合学习计算机科学特别是操作系统领域的学生参考,有助于提升理解和应用操作系统原理的能力。通过阅读这份讲义,读者可以全面掌握操作系统的核心原理,为后续的学习和研究打下坚实的基础。
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西安建筑科技大学
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1.4.2
单道批处理系统
(1)概念
早期的计算机系统非常昂贵,为了能充分的利用它,应尽量让该系统连续
地运行,以减少空闲时间。为此,通常是把一批作业以脱机输入方式输入到磁
带上,并在系统中配上监督程序,在他的控制下使这批作业能一个接一个的连
续处理。由于系统对作业的处理多是成批地进行的,且在内存中始终只保持一
道作业,故称为单道批处理系统。
(2)特征:
① 自动性;
② 顺序性;
③ 单道性。
输入设
备
输出设
备
输入进程
SP
1
输出进程
SP
0
磁盘
SPOOLing 系统的
组成
输入
井
输出
井
输入缓存区
B
1
输出缓存区
B
0
还有下一个
作业?
运 行
目标程序
装 配
目标程序
源程序
有错吗?
把下一个作业的源
程序转换成为目标
程序
开始
停止
否
否
是
是
单道批处理系统的处理流程
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1.4.3
多道批处理系统
具体地说,在 OS 中引入多道程序设计技术可带来以下好处:
① 提高 CPU 的利用率;
② 可提高内存和 I/O 设备利用率;
③ 增加系统吞吐量。
(1)多道处理系统的特征
① 多道性;
② 无序性;
③ 调度性:
a)作业调度;
b)进程调度。
(2)多道批处理系统的优缺点
① 优点
a) 资源利用率高;
b) 系统吞吐量大.
② 缺点
a) 平均周转时间长;
b) 无交互能力.
1.4.4
分时系统
从操作系统的发展历史上看,分时操作系统出现在批处理操作系统之后。
它是为了弥补批处理方式不能向用户提供交互式快速服务的缺点而发展起来
的。
(1)基本工作方式
在分时系统中,一台计算机主机连接了若干个终端,每个终端可由一个用
户使用。用户通过终端交互地向系统提出命令请求,系统接受用户的命令之后,
采用时间片轮转方式处理服务请求,并通过交互方式在终端上向用户显示结果。
用户根据系统送回的处理结果发出下一道交互命令。
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(2)设计思想
分时操作系统将 CPU 的时间划分成若干个小片段,称为时间片。操作系统
以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务。
(3)特点
总体上看,分时操作系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特点。
① “多路性”是指有多个用户在同时使用一台计算机。
② “交互性”是指用户根据系统响应的结果提出下一个请求。
③ “独占性”是指用户感觉不到计算机为其他人服务,就好像整个系统为
他所独占一样。
④ “及时性”是指系统能够对用户提出的请求及时给予响应。
分时操作系统追求的目标是及时响应用户输入的交互命令。
一般通用操作系统结合了分时系统与批处理系统两种系统的特点。典型的
通用操作系统是 UNIX 操作系统。在通用操作系统中,对于分时与批处理的处理
的原则是:分时优先,批处理在后。
1.4.5
实时操作系统
所谓“实时”,是表示“及时”。实时操作系统(RTOS:Real Time Operating
System)是指,使计算机能在规定的时间内,及时响应外部事件的请求,同时完
成对该事件的处理,并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操
作系统。实时操作系统主要目标是:在严格时间范围内,对外部请求做出反应,
系统具有高度可靠性。
实时操作系统主要有两类:第一类是硬实时系统。硬实时系统对关键外部
事件的响应和处理时间有着极严格的要求,系统必须满足这种严格的时间要求,
否则会产生严重的不良后果。第二类是软实时系统。软实时系统对事件的响应
和处理时间有一定的时间范围要求。不能满足相关的要求会影响系统的服务质
量,但是通常不会引发灾难性的后果。
实时系统为了能够实现硬实时或软实时的要求,除了具有多道程序系统的
基本能力外,还需要有以下几方面的能力。
(1) 实时时钟管理
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实时系统的主要设计目标是对实时任务能够进行实时处理。实时任务根据
时间要求可以分为两类:第一类是定时任务,它依据用户的定时启动并按照严
格的时间间隔重复运行;第二类是延时任务,它非周期地运行,允许被延后执
行,但是往往有一个严格的时间界限。
(2) 过载防护
在出现过载现象时,要有能力在大量突发的实时任务中,迅速分析判断并
找出最重要的实时任务,然后通过抛弃或者延后次要任务以保证最重要任务成
功的执行。
(3) 可靠性
高可靠性是实时系统的设计目标之一。实时操作系统的任何故障,都有可
能对整个应用系统带来极大的危害。所以实时操作系统需要有很强的健壮性和
坚固性。
1.4.6
计算机操作系统
个人计算机操作系统(Personal Computer Operating System)是一种
单用户的操作系统。个人计算机操作系统主要供个人使用,功能强,价格便宜,
在几乎任何地方都可安装使用。它能满足一般人操作、学习、游戏等方面的需
求。个人计算机操作系统的主要特点是:计算机在某一时间内为单个用户服务;
采用图形界面人机交互的工作方式,界面友好;使用方便,用户无需具备专门
知识,也能熟练地操纵系统。
1.4.7
网络操作系统
为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统。网络操作系统(Network
Operating System) 是基于计算机网络的、在各种计算机操作系统之上按网络
体系结构协议标准设计开发的软件,它包括网络管理、通信、安全、资源共享
和各种网络应用。
网络操作系统把计算机网络中的各个计算机有机地连接起来,其目标是相
互通信及资源共享。
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1.4.8
分布式操作系统
将大量的计算机通过网络连结在一起,可以获得极高的运算能力及广泛的
数据共享。这样一种系统称作为分布式系统(Distrbuted System)。为分布式
系统配置的操作系统称为分布式操作系统(Distrbuted Operating System)。
分布式操作系统具备如下特征:
(1)分布式操作系统是一个统一的操作系统,在系统中的所有主机使用的
是同一个操作系统。
(2)实现资源的深度共享。
(3)透明性。在网络操作系统中,用户能够清晰地感觉到本地主机和非本
地主机之间的区别。
(4)自治性。即处于分布式系统中的各个主机都处于平等的地位,各个主
机之间没有主从关系。一个主机的失效一般不会影响整个分布式系统。
分布式系统的优点在于它的分布式,分布式系统可以以较低的成本获得较
高的运算性能。分布式系统的另一个优势是它的可靠性。
机群是分布式系统的一种,一个机群通常由一群处理器密集构成,机群操
作系统专门服务于这样的机群。
1.5
网络操作系统与分布式操作系统
操作系统是计算机系统软件的核心,有多种分类方法。按照操作系统所提
供的功能进行分类,可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、
单用户操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。
1.5.1
分布式
OS
与网络
OS
的比较
网络操作系统与分布式操作系统在概念上的主要不同之处,在于网络操作
系统可以构架于不同的操作系统之上,也就是说它可以在不同的本机操作系统
上通过网络协议实现网络资源的统一配置。分布式操作系统强调单一操作系统
对整个分布式系统的管理、调度。在分布式系统上配置的 OS,称为分布式 OS,
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