计算机操作系统原理

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1、第3章操作系统概述3.1多道程序设计3.2进程的概念3.3进程控制块和状态转换3.4进程控制3.5线程3.1多道程序设计衡量一个系统效率的一个指标就是吞吐率；即吞吐率=作业道数全部处理时间显然，系统效率与系统资源利用率密切相关，主要涉及：处理机、存储器、设备这样一些硬件资源的利用率问题。如果系统资源利用率高，则单位时间内完成的有效工作多；所以，提高系统的吞吐量应当提高系统资源的利用率。下面通过例子说明处理机利用率与吞吐率的情况，如图图3.1所示。tAAΔt等待I/O的时间（6个Δt）（a）单道情况11078BBtAAΔt（b）两道情况1107189tΔt（c）四道情况11071

2、89BBAACDCD2310图3.1单道、两道和四道情况1421/8Δt=0.125道程序/Δt2/9Δt=0.222道程序/ΔtAI/OAI/OBI/O4/11Δt=0.363道程序/Δt下一步A,B,C,D为程序，忽略外设；假定4个程序都需运行2个Δt时间，在期间有6个Δt时间的I/O操作；吞吐率分别为：1/8=0.1252/9=0.2224/11=0.3634道程序情况比单道提高了近3倍。显然不仅使内存充分利用，还带来处理机利用率的提高，使整个系统效率得以提高。下一步结束下一步3.1多道程序设计由图3.1可知多道下内存和处理机利用率得到显著提高。问题是内存存放程序数量是

3、否越多越好呢？否定的！内存的容量限制了系统可同时处理程序的数目。物理设备的数量也是一个制约条件，如果内存中可同时运行的程序过多，这些程序之间可能会因为相互等待被其它程序占用的设备资源（如I/O设备），反而可能会影响系统效率。程序道数过多对处理机的竞争更加激烈，可能会产生两个不利后果：程序道数过多对处理机的竞争更加激烈，可能会产生两个不利后果：影响系统的响应速度。产生过多的系统开销（系统本身运行的时空耗费）。系统同时接纳用户程序数目与系统功能和配置有关。由此，多道程序设计提高了系统效率，也带来了系统资源的竞争，因此要协调程序与资源的关系。处理机、存储器和外部设备是计算机系统中重要

4、的硬件资源，因而需要解决处理机资源管理、存储器分配和回收以及外部设备资源管理等问题。利用什么理论和机制？3.1多道程序设计3.2进程的概念在计算机和操作系统发展过程中，人们在不断的创新和总结经验，总结那些成功的大型系统软件的开发经验，同时也对导致失败的原因进行分析，从而提炼出了对编制各类系统软件的思想和理论，使操作系统软件不断地推陈出新。多道程序设计是操作系统最基本的思想，然而系统如何协调各程序并发运行、资源共享，如何刻画可以运行的系统环境就需要一种指导思想、一种机制来实现。如图3.1中，A,…,D是根据什么原则和依据运行的，其中每个程序在系统中可知信息有哪些、是什么、怎样体现

5、它们“走走停停”的活动等，这就需要反映程序的一种动态性；在程序的概念下是无法刻画系统中并发特性的。现代操作系统重要特征：并发、资源共享、用户随机使用资源。这三个特点是互相联系和互相依赖的。采用一个什么样的概念来描述计算机程序的执行过程和作为资源分配的基本单位才能充分反映操作系统这些特点，这个概念就是进程。3.2.1前驱图和程序执行前驱图的定义前驱图（ProcedenceGraph）是一个有向无环图DAG（DirectedAcyclicDraph），是用来反映和研究系统内所发生事件之间的一种关系。→＝{(pi，pj)

6、pi必须在pj开始之前完成}。如果(pi，pj)∈→，可写成p

7、i→pj，称pi是pj的前驱，而pj是pi的直接后继。没有前驱的结点为初始结点，没有后继的结点为终止结点。3.2进程的概念3.2.1前驱图和程序执行前驱图的定义图3.2给出了7个结点的前驱图。在该图中，存在下面一些前驱关系：P1→P2，P1→P3，┅，P4→P6，P6→P7，或表示为：P＝{P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7}→＝{(P1，P2),，P1，P3)，┅，(P5，P7),(P6，P7)}1234756图3.2具有7个结点的前驱图3.2进程的概念3.2.1前驱图和程序执行程序的顺序执行程序是指令（或语句）的集合，指令之间是顺序关系，是一个静态的概念。其执行过程可

8、以描述为：Repeat：IR←M[pc]pc←pc+1执行IR中指令UntilCPUhalt这里IR为指令寄存器，pc为程序计数器，M为存储器。显然，程序的顺序性与计算机硬件的顺序性是一致的。我们把具有独立功能的程序独占处理机直至最终结束的过程称为程序的顺序执行。程序的顺序执行3.2进程的概念假定用I、C和P分别表示输入、计算和输出操作（也可以为语句），可以有图3.3的前驱图。I1C1P1I2C2P2（a）两个程序的前驱图（单道情况）图3.3程序的前驱图S1S3S2（b）三个语句表示的前驱图