操作系统原理：进程调度与多道程序设计

"进程调度-操作系统（第二版）" 操作系统是计算机系统的核心组成部分，它对硬件设施进行管理和优化，提供用户友好的环境和系统调用，以扩展机器功能。操作系统的主要功能包括处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理和网络通信管理。其中，处理机管理是操作系统的重要任务之一，它涉及进程调度，即控制和协调进程对CPU的使用，按照预定的调度算法从就绪队列中选择一个进程执行。 进程调度的目标是确保公平且高效地分配CPU时间。调度程序的任务是在进程就绪队列中选择一个进程，并为其分配CPU资源，使得系统资源得到充分利用，提高系统吞吐量和响应时间。在多道程序设计中，多个进程可以同时存在于内存中，它们的执行不是连续的，而是以时间片轮转的方式交替进行，这就是并发性的体现。 多道程序设计引入了并发执行的概念，从宏观上看，多个程序看似同时运行；从微观上看，实际上是由CPU快速切换执行不同的进程。这样做的好处在于提高了CPU的利用率，减少了系统的空闲时间，并且可以更好地满足用户的需求，例如在等待I/O操作时，CPU可以切换到其他进程，避免了资源的浪费。 操作系统有四个主要特性： 1. 并发性：多个任务可以在同一时间段内执行，但不一定是真正的同时。 2. 共享性：资源可以被多个进程共享，例如内存和硬件设备。 3. 异步性：进程的执行顺序不可预测，因为它们依赖于调度和外部事件。 4. 虚拟性：通过资源的抽象和模拟，使得用户感觉拥有了比实际更多的资源。 操作系统根据其特征可分为不同类型： - 批处理系统：主要用于批量处理大量任务，用户提交作业后离线等待结果。 - 分时系统：允许多个用户同时在线交互，每个用户可以获得一定的时间片来执行自己的任务。 - 实时系统：强调响应时间，保证在规定时间内完成特定任务，常见于控制系统和嵌入式系统。 当CPU接收到磁盘I/O中断时，中断处理的主要过程包括： 1. 处理器完成当前指令的执行。 2. 接受中断信号，保存当前的程序状态字（PSW）和程序计数器（PC）到系统堆栈。 3. 根据中断类型加载新的PC值，开始执行中断处理程序。 4. 中断硬件保存CPU的其余状态信息。 5. 中断处理程序执行，完成相应操作。 6. 恢复CPU状态信息，从系统堆栈恢复原PSW和PC寄存器，继续之前的程序执行。 引入进程的原因是为了更好地管理内存中的多个程序，记录和控制每个程序的执行状态。进程之间可能存在竞争关系，如共享资源的互斥访问，或者协作关系，如同步操作。一个进程由程序段、数据段和进程控制块（PCB）组成，具有动态性、并发性、独立性和异步性等特征。进程有三种基本状态：就绪、运行和等待，它们在执行过程中会相互转换，以适应系统的需求和资源的分配。