操作系统课件 ch4
操作系统课件 ch4
Chapter 4: ThreadsChapter 4: Threads⏹Overview⏹Multithreading Models⏹Threading Issues⏹Pthreads⏹Windows XP Threads⏹Linux Threads⏹Java ThreadsProcess⏹Resource ownership -process includes a virtual address space to hold the process image⏹Scheduling/execution-follows an execution path that may be interleaved with other processes⏹These two characteristics are treated independently by the operating systemSeparate two ideas:●Process: Ownership of memory, files, otherresources●Thread: Unit of execution we use to dispatchProcess/ThreadProcess--Resource ownership⏹Have a virtual address space which holds the process image ⏹Protected access to processors, other processes, files, and I/OresourcesThread--Scheduling/Execution⏹An execution state (running, ready, etc.)⏹Saved thread context when not running⏹Some per-thread static storage for local variables⏹Access to the memory and resources of its processDOS UNIX WindowsLinuxOS/2Operating system supports multiple threads of execution within a single process Javaone processone thread multiple processesone thread per process one process multiple threadsmultiple processes multiple threads per processOperating system supports multiple threads of execution within a single processBenefits⏹Responsiveness⏹Resource Sharing⏹Economy⏹Utilization of MP ArchitecturesExamplesThread sorting demo Dual Core ProcessorUser and Kernel Threads⏹User threads -Thread management done by user-level threads library.⏹Kernel threads -Threads directly supported by the kernel.User Threads⏹Thread management done by user-level threads library⏹Three primary thread libraries:●POSIX Pthreads●Win32 threads●Java threadsKernel Threads ⏹Supported by the Kernel⏹Examples●Windows XP/2000●Solaris●Linux●Tru64 UNIX●Mac OS XMultithreading Models Mapping user threads to kernel threads:⏹Many-to-One⏹One-to-One⏹Many-to-ManyMany-to-One⏹Many user-level threads mapped to single kernel thread⏹Examples:●Solaris Green Threads●GNU Portable ThreadsMany-to-One ModelOne-to-One⏹Each user-level thread maps to kernel thread⏹Examples●Windows NT/XP/2000●Linux●Solaris 9 and laterOne-to-one Model⏹Allows many user level threads to be mapped to many kernel threads⏹Allows the operating system to create a sufficient number of kernel threads⏹Solaris prior to version 9⏹Windows NT/2000 with the ThreadFiber packageTwo-level Model⏹Similar to M:M, except that it allows a user thread to be bound to kernel thread⏹Examples●IRIX●HP-UX●Tru64 UNIX●Solaris 8 and earlierTwo-level ModelUser ThreadsHyper-Threading Technology1.Parallelism via better utilization ofexisting resources2.Hyper-threading is an Intel-proprietarytechnology used to improveparallelization of computations (doingmultiple tasks at once) performed onPC microprocessors.Threading Issues⏹Semantics of fork()and exec()system calls⏹Thread cancellation⏹Signal handling⏹Thread pools⏹Thread specific data⏹Scheduler activationsJava Threads⏹Java threads are managed by the JVM⏹Java threads may be created by:●Implementing the Runnable interfaceThread Pools⏹Create a number of threads in a pool where they await work ⏹Advantages:●Usually slightly faster to service a request with an existingthread than create a new thread●Allows the number of threads in the application(s) to bebound to the size of the poolThread Specific Data⏹Allows each thread to have its own copy of data⏹Useful when you do not have control over the thread creation process (i.e., when using a thread pool)Windows XP Threads⏹Implements the one-to-one mapping⏹Each thread contains● A thread id●Register set●Separate user and kernel stacks●Private data storage area⏹The register set, stacks, and private storage area are knownas the context of the threads⏹The primary data structures of a thread include:●ETHREAD (executive thread block)●KTHREAD (kernel thread block)●TEB (thread environment block)4.31Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005Operating System Concepts –7thedition, Jan 23, 2005Linux Threads⏹Linux refers to them as tasks rather than threads ⏹Thread creation is done through clone()system call ⏹clone()allows a child task to share the address spaceof the parent task (process)End of Chapter 4。
2024版计算机操作系统第四版ppt课件
分布式处理系统的应用
如云计算、大数据处理等。
分布式文件系统与数据库系统
分布式文件系统的基本概念
01
将文件分布在多个计算机节点上，通过网络进行访问和
管理。
分布式数据库系统的基本概念
02
将数据库分布在多个计算机节点上，通过网络进行访问
和管理，同时保持数据的一致性和完整性。
分布式文件系统和数据库系统的关键技术
文件共享是指多个用户或进程可以同时访问和使用同一文件。
文件保护
文件保护是指操作系统采取一定的措施，防止文件被非法访问、修 改或破坏。
共享与保护的实现方法
操作系统可以通过访问控制列表（ACL）、权限位和加密等机制来 实现文件的共享和保护。
文件操作及实现方法
文件操作
文件操作包括文件的创建、打开、读/写、定位和关闭等。
调度算法的性能评价指标
包括系统吞吐量、处理机利用率、周转时间、响应时间等。
典型的多处理机调度算法
如最短作业优先算法、最高响应比优先算法等。
分布式处理系统的特点与分类
分布式处理系统的特点
自治性、并发性、资源共享、透 明性等。
分布式处理系统的分类
根据系统中计算机的类型和互连 方式，可分为同构型分布式系统 和异构型分布式系统。
并行处理系统的基本结构 包括多个处理单元、互连网络、存储器等部件，通过相互 协作完成并行任务。
并行处理系统的分类 根据处理单元的数量和互连方式，可分为共享内存系统和 分布式内存系统。
多处理机调度算法及性能评价
多处理机调度算法的种类
包括静态调度算法和动态调度算法，其中动态调度算法又可分为集中式调度和分布式调度。
进程调度算法的实现需要考虑系统 效率、公平性和实时性等因素。
ch4 中文操作系统WINDOWS
Windows的常用术语（续） 的常用术语（ 的常用术语
文件夹
一个文件夹 文件夹就是一个存储文件的有组织实体（类 文件夹 似一个文件袋或盛放文件的抽屉），用户可以使用文 件夹把文件分成不同的级。在文件夹中，用户不但可 以存放文件，还可以存放其他的文件夹 文件夹，如此可形成 文件夹 一个文件夹树。 我们将文件夹中所包含的其他文件夹称为子文件 子文件 夹。
7 8 9 10 11 复制 移动 删除 重命名 设置属性
定制Windows 定制Windows
• 定制桌面 属性 • 定制任务栏 移动、大小、隐藏、添加工具栏、属性 • 定制开始菜单 属性 • 字体的定制 • 其他定制方法 键盘、鼠标、区域、文件夹 (控制面板)
应用程序的管理
• 启动、关闭和切换应用程序 启动、
b 右击[开始] ︱快捷菜单︱资源管理器 c 右击任意文件夹︱快捷菜单︱资源管理器 我的电脑”窗口中，单击工具栏 工具栏上的文件 d 在“我的电脑 我的电脑 工具栏 夹 按钮
我的电脑”或“资源管理器 资源管理器” 注：（在“我的电脑 我的电脑 资源管理器 之间切换的最好方式）
查看文件与文件夹
• 人工浏览 • 自动搜索
工具栏的操作
窗口中的工具栏
• 单击工具栏的图标 • 指向工具栏的图标 • 自定义工具栏 [查看] ︱[工具栏] ︱自定义 • 显示或隐藏文件夹窗口中的工具栏
几个特殊的工具栏
地址；链接；桌面；快速启动； 地址；链接；桌面；快速启动；语言
对话框的操作
• 对话框的组成
(1) (2) (3) (4) (5) (6) 标题栏 选项卡 输入框 按钮 下拉式列表 其他
命令菜单 开始菜单 快捷菜单
菜单、工具栏、对话框的操作（ 菜单、工具栏、对话框的操作（续） • 菜单的有关约定： 菜单的有关约定：
操作系统ch4
4.1 进程互斥与同步
4.1.1 临界资源与临界区 临界区(critical section)：临界段，在每个程序中，访 问临界资源的那段程序。
注意：临界区是对某一临界资源而言的，对于不同 临界资源的临界区，它们之间不存在互斥。
如有程序段A、B是关于变量X的临界区，而C、D是 关于变量Y的临界区，那么，A、B之间需要互斥执行， C、D之间也要互斥执行，而A与C、B与D之间不用互斥 执行。
4.1.2 进程互斥的实现
1. 实现进程互斥的硬件方法
(1) 禁止中断 在单处理器环境中，解决临界区的问题相对简单，即 当进程进入临界区之前禁止中断，在退出临界区之后立 即打开中断。
缺点：不适用于多任务系统(一个进程关闭中断，永不开放怎么办？）
不能用于多处理器系统
4.1.2 进程互斥的实现
1. 实现进程互斥的硬件方法
利用这两条指令实现两个并发进程P1、P2互斥使用 临界资源的描述如下： 进程P1 …… L1: BTS W,0 JC L1 进程P2 …… L2: BTS W,0 JC L2
CS1
BTC W,0
CS2
Bபைடு நூலகம்C W,0
……
……
4.1.2 进程互斥的实现
2. 实现进程互斥的硬件方法
(3) 交换指令(Swap或Exchange) 交换指令的功能是交换两个字（字节）的内容。
教学目标
理解并掌握临界资源和临界区、进程同步 和互斥的概念；掌握进程同步与互斥的实现
方法；了解管程的概念和实现过程；了解进
程通信的方式；理解死锁的概念、死锁产生 的原因和必要条件；了解预防和避免死锁的 方法，理解死锁的检测和解除方法。
4.1 进程互斥与同步
举例说明：假如系统 中有p1与p2两道程序， 共享一个变量n。当程序 顺序运行时，输出结果 为 A=5 B=5 当并发执行时，输出 结果？ int n=0； /* n为共享变量 */ P1( ) { int step; while(n<5) { step = n; n = step + 1； } printf("A=%d", n); } P2( ) { int step; while(n<5) { step = n; n = step +1; } printf("B=%d", n); }
Ch4 操作系统
4.1 操作系统概述
操作系统的概念
系统软件中基础、重要而特殊的一类 计算机硬件、软件资源的管理者 支持系统软件和应用软件运行
计算机硬件与其它软件的接口
用户和计算机的接口
是一组程序
应用软件 系统软件 操作系统 硬件
操作系统的功能
处理机管理
存储管理 设备管理
信息管理（文件管理）
操作系统的分类
按用户 界面 命令行界面操作系统 图形用户界面操作系统 单用户操作系统 多用户操作系统 单任务操作系统
按用 户数
操 作 系 统
按任 务数
多任务操作系统
批处理系统 分时操作系统
按系统 功能
实时操作系统
网络操作系统
……
一些常见的操作系统
※DOS
※Unix
※Linux
※Mac OS
※Windows
•设备管理器：Windows中管理硬件设备的 一个对话框
第4章 课后作业
• 教材 P.104 第1，3，4，10,13题 可阅读教材找答案 • 补充题：根据Windows的文件命名规则，判 断下列名称可否作为文件名。 (1) A12:5.VBP (2) TV-2.EXE (3) Windows@Word.DOC (4) 1234*.COM
表明文件内容 表明文件类型
文件名实例
NOTEPAD.EXE README.TXT P2030028.JPG 国贸14学生名单.xls
文件命名规则：P.90
常用扩展名： P.91
及阅读材料
第4章 操作系统(29页).doc 第3周课件.rar
I Have A Dream.mp3
文件的属性
•文件的大小 •最后修改时间 •只读，隐藏，存档
ch4西安电子科技大学操作系统课件【精选】
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4.2 死锁举例
进程通信引起死锁
系统资源在总体上按照是否能被消耗可以分 为
永久性资源：就是指独占资源，可以重复使用， 如CPU、主存、I/O设备等。
临时性资源：可消耗的资源，通常由一个进程产 生，而被另一个进程消耗掉，只能使用短暂的时 间，如进程同步时交换的信息、数据文件等。
西安电子科技大学计算机学院
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4.2 死锁举例
进程申请顺序不当引起死锁（前面例子） 同类资源分配不当引起死锁
假设系统中有9个单位的存储器，4个进程，每个 进程都需要4个存储器才能完成。
现系统给每个进程都分配了2个存储器，系统还剩 余1个存储器，但无论将其分配给哪一个进程，该进程 都不能执行完成，造成了死锁。
T2
则不会死锁。但如果先要求消
息，再发送消息，则会死锁。
S2
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4.2 死锁举例
进程通信引起死锁
由此可见，死锁的产生与系统拥有的 资源数量、资源分配的策略、进程对资源 申请和使用的时机等多个因素有关，要解 决死锁需全面考虑这些因素。
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4.3 解决死锁的方案
P2Req(R2)
D:不安全区 ④
P1Req(R1)
P1Req(R2)
进程推进顺序不合法
P1Rel(R1)
P1Rel(R2)
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4.1 死锁的基本概念
产生死锁的四个必要条件：
互斥使用（资源独占） 非剥夺控制（不可强占） 零散请求 循环等待：等待进程形成一个封闭的链，链上的进
鸵鸟策略：对死锁不加理会 不让死锁发生：可以在进程执行前或在
ch4计算机系统软件PPT课件
•存储器管理应具有以下功能:
(1)内存分配:静态分配与动态分配；
区别：并行性是指两个或多个事件在同一时刻 发生
2.共享(Sharing)：指系统中的资源可供内存中多 个并发执行的进程（线程）共同使用；有以下两 种共享方式：
互斥共享：一段时间内只允许一个进程（线程） 访问该资源（称为临界资源或独占资源）
同时访问：一段时间内允许多个进程（线程） “同时”访问该资源，如磁盘
计算机系统软件 4
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
内容摘要
系统软件是管理、监控和维护计算机 的软件，它是为整个计算机系统所配置的、 并且不依赖于特定应用领域的通用性软件。
系统软件是必不可少的，其他程序都 在它的支持下编写和运行。
18.07.2020
曲阜师范大学计算机科学学院
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2. 操作系统的基本特性
3.虚拟(Virtual)：指将一个物理的实体映射 为若干个逻辑实体。
虚拟的实现：分时使用
4.异步性(Asynchronism)：指进程以人们不 可预知的速度向前推进的特性。
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曲阜师范大学计算机科学学院
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18.07.2020
曲阜师范大学计算机科学学院
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操作系统概述 4.2.1
• 操作系统OS（Operation System）是最基本、
最重要的计算机系统软件。
• 它是配置在计算机系统上的第一层软件，是对
硬件系统的首次扩充。
ch4
Activate
Suspend
Blocked
New
A
Suspend
Ready Suspend
Activate
Admit
i dm
t
Suspend
Ready
Dispatch Timeout
Running
Release
Exit
Event Occurs
Event Occurs
t en t Ev ai W
Blocked Suspend
Process – a program in execution; A process includes:
– program counter – Stack section – data section
进程和程序的区别与联系
（1）进程是程序及其数据在计算机上的一次运行活动， 它属于一种动态的概念。进程的运行实体是程序，离 开程序,进程没有存在的意义。从静态角度看，进程是 由程序、数据和进程控制块 PCB三部分组成的。而程 序是一组有序的指令集合，属于一种静态的概念。 （2）进程是程序的一次执行过程，它是动态地创建和 消亡的，具有一定的生命期，是暂时存在的；而程序 则是永久存在的，可长期保存。 （3）一个进程可以执行一个或几个程序，一个程序也 可以构成多个进程
The need(additional states) for swapping
New state transitions (mid-term scheduling)
• Blocked --> Blocked Suspend
When all processes are blocked, the OS will make room
第一讲ch4计算机结构
二进制减法运算规则： 0-0=1-1=0; 1-0=1; 0-1=1 (借一当二) 例：1011001-1101.01 1011001 1 1 0 1.0 1 1 0 0 1 0 1 1.1 1 ∴ 1011001-1101.01=1001011.11
二进制乘法规则： 0×0=0; 0×1=1×0=0; 1×1=1 例：1011.01×101 1 0 1 1.0 1 × 101 101101 101101 1 1 1 0 0 0.0 1 ∴ 1011.01×101=111000.01
指令的执行过程
计算机的基本工作过程就是执行指令的过 程，就是取指令、分析指令、执行指令， 再取下一条指令，依次周而复始地执行指 令序列的过程。该过程也就是某个程序的 执行过程。 计算机的工作效率与指令的执行时间有极 大的关系。而一条指令的执行时间应是取 指令、分析指令和执行指令这三部分所需 时间之和。
常用的四种进位计数制
二进制（binary） 0,1 (逢二进一)
N= N= N= N=
i b × 2 ∑ i
i =n −m
−m
八进制(octal) 0,1,...,7 (逢八进一)
∑oi×8i
i =n −m
十进制(decimal) 0,1,...,9 (逢十进一)
∑di×10i
i =n
十六进制(hex) 0,1,...,9,A,B,C,D,E,F (逢十六进一)
R进制数按权展开
对于R进制表示的数N，可以按权展开为： N = an×Rn+an-1×Rn-1+···+a1×R1+a0×R0+ a-1×R-1+···+a-m×R-m = ∑ a i×Ri
i=n −m
ch4 实时操作系统μCOS-II
RTOS
KERNEL
测试工具
其他组件
TCP/IP
设备I/O
BSP 嵌入式硬件平台
μ C/OS-II简介
μ C/OS-II是美国一个名为Jean Labrosse的工 程师开发的实时操作系统。它以小内核、多任 务、丰富的系统服务等特点越来越受欢迎； μ C/OS-II实时系统的商业应用非常广泛，具 有非常稳定、可靠的性能，成功应用于生命科 学、航天工程等重大科研项目中。由于其高效 的内核，特别适应于对程序代码存储空间要求 极其敏感的嵌入式系统开发； μ C/OS-II是一款源码公开的实时操作系统。
任务的状态
挂起状态也可以叫做等待事件态WAITING， 指该任务在等待，等待某一事件的发生， （例如等待某外设的I/O操作，等待某共 享资源由暂不能使用变成能使用状态， 等待定时脉冲的到来或等待超时信号的 到来以结束目前的等待，等等）。 最后，发生中断时，CPU提供相应的中断 服务，原来正在运行的任务暂不能运行， 就进入了被中断状态。
内核（Kernel）
多任务系统中，内核负责管理各个 任务，或者说为每个任务分配CPU时 间，并且负责任务之间的通讯。内 核提供的基本服务是任务切换。
调度（Scheduler）
内核的主要职责之一，就是要决定该轮 到哪个任务运行了。多数实时内核是基 于优先级调度法的。 每个任务根据其重要程度的不同被赋予 一定的优先级。基于优先级的调度法指， CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任 务先运行。
任务
一个任务，也称作一个线程，是一个简 单的程序，该程序可以认为CPU完全只属 该程序自己。实时应用程序的设计过程， 包括如何把问题分割成多个任务，每个 任务都是整个应用的某一部分，每个任 务被赋予一定的优先级，有它自己的一 套CPU寄存器和自己的栈空间。
2024版年度《操作系统》ppt课件
成组链接法
将若干个空闲块组成一组，第一块的指针指向下一组空闲块 的第一块，最后一块的指针指向本组的空闲块总数，分配和 回收空间时均以组为单位进行。
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磁盘容错技术
奇偶校验
通过增加冗余信息来检测并纠正数 据传输过程中可能出现的错误。
日志结构文件系统
将多个磁盘组合成一个逻辑磁盘， 通过数据分条、镜像、奇偶校验等
2024/2/2
最短寻道时间优先（SSTF）
优先选择距离当前磁头位置最近的请求进行服务，可减少磁头移动距 离，但可能导致某些请求长时间等待。
扫描算法（SCAN）
磁头从一端向另一端移动，途中满足遇到的请求，到达另一端后返回， 途中再次满足遇到的请求，如此往复。
循环扫描算法（CSCAN）
类似于SCAN算法，但磁头只在一个方向上移动，到达另一端后立即 返回起始端，途中不服务请求，返回途中再满足遇到的请求。
通信加密
对网络通信数据进行加密，防止数据在传输过程 中被窃取或篡改。
2024/2/2
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防火墙与入侵检测系统设计
1 2
防火墙技术 通过包过滤、代理服务等技术，对网络进行访问 控制，防止外部攻击。
入侵检测系统 实时监控网络和系统事件，发现可疑行为并及时 报警，防止内部和外部的入侵行为。
3
防火墙与入侵检测系统的整合 将防火墙和入侵检测系统相结合，实现更全面的 安全防护。
功能
操作系统的主要功能包括管理计算机硬 件和软件资源，提供用户界面，以及控 制和管理计算机系统的各个部分。
2024/2/2
4
发展历程与分类
发展历程
从手工操作到批处理系统，再到分时系统、实时系统、网络操作系统和分布式 操作系统等。
[课件] 大学操作系统课件ch4-Thread
![[课件] 大学操作系统课件ch4-Thread](https://img.taocdn.com/s3/m/1ba0455549649b6648d747ae.png)
code
data
registers
files stack
thread
code
data
files
registers registers registers
stack
stack
stack
thread
single-threaded process
multithreaded process
✴ 进程具有代码/数据/堆及其它分段 ✴ 进程具有至少有一个线程
Scheduler Activations: Ef
‘m
........ J($
(
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
..“...
Activations: Effective Kernel Support
.
63
Time
User Program
............................ .. ........................
程称为主线程，并拥有进程堆栈 ✴ 创建容易 ✴ 上下文切换快捷 ✴ 线程间具有高效的通信性能 ✴ 如果一个线程死亡，它的堆栈被回收
线程模型
用Us户er线vs程. Kernel T内hr核ea线ds程
user thread
k
kernel thread
多对一模型
user thread
k
k
k
k
kernel thread
多线程中的几个问题
系统调用对线程的影响 fork() exec()
线程撤除 Thread cancellation
信号处理
signal handling
线程池设计
线程专用数据支持
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Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
4.10
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
User Threads
Thread management done by user-level threads library
4.2
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Process
Resource ownership - process includes a virtual address space to hold the process image
Scheduling/execution- follows an execution path that may be interleaved with other processes
Thread--Scheduling/Execution
An execution state (running, ready, etc.) Saved thread context when not running Some per-thread static storage for local variables Access to the memory and resources of its process
Chapter 4: Threads
Chapter 4: Threads
Overview Multithreading Models Threading Issues Pthreads Windows XP Threads Linux Threads Java Threads
Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
4.6
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Single and Multithreaded Processes
OOpepraetinrgaStyinstegmSCoynscetpetsm– 7tCh eoditniocn,eJapnt2s3, 2005
These two characteristics are treated independently by the operating system
Separate two ideas:
Process: Ownership of memory, files, other resources
Thread: Unit of execution we use to dispatch
Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
4.4
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Multithreading
DOS
Java
UNIX
one process one thread
one process multiple threads
4.7
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Benefits
Responsiveness Resource Sharing Economy Utilization of MP Architectures
Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
User and Kernel Threads
User threads - Thread management done by user-level threads library. Kernel threads - Threads directly supported by the kernel.
Windows Linux OS/2
multiple processes one thread per process
multiple processes multiple threads per process
Operating system supports multiple threads of execution within a single process
Three primary thread libraries: POSIX Pthreads Win32 threads Java threads
Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
4.3
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Process/Thread
Process--Resource ownership
Have a virtual address space which holds the process image Protected access to processors, other processes, files, and I/O resources
4.8
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Examples
Dual Core Processor
Thread sorting demo
Operating System Concepts – 7th edition,alvin and Gagne ©2005
Operating System Concepts – 7th edition, Jan 23, 2005
4.5
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
Multithreading
Operating system supports multiple threads of execution within a single process