《操作系统原理及应用(Linux)》-第8章 现代操作系统实例

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第8章 现代操作系统实例 章
8.2.2 Windows 2000中的进程和线程的特点 中的进程和线程的特点
Windows 2000操作系统对CPU的管理可体现为它的进 程和线程模型。它具有以下特点： 1．它是多任务（多进程）、多线程、对称多处理的。 2．由于采用了客户/服务器模型。 3．Windows 2000的进程以及线程全部作为对象实现，并 通过对象服务访问。 4．进程管理程序在它所管理的子进程之间不具有父进程/子 进程或其他关系。 5．在该系统中，基本的调度实体是线程，采用动态优先级多 级调度队列算法，允许可抢占CPU，但核心代码不可被抢占。 6．可以在进程间共享对象，以及具有灵活的内部进程通信能 力。 7．Windows NT原设计可以Intel、MIPS等多种CPU上运 行，但出于市场因素的考虑，Windows 2000只在Intel上 运行。 29
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3．进程状态及转换 ．
UNIX System 5进程的状态存放在进程的proc结 构中。这些进程的状态共有9个，它们是： （1）用户态执行。 （2）核心态执行。 （3）内存中睡眠。 （4）睡眠且换出。 （5）内存中就绪。 （6）就绪且换出。 （7）僵死。 （8）被剥夺状态。 （9）创建。
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2．请求分页 ．
UNIX系统为实现请求分页的功能，配置了四种 数据结构，分别为： （1）页表。 （2）磁盘块描述字。 （3）页面数据表。 （4）交换使用表。
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3．换页进程 ．
换页进程为核心进程。该进程的主要任务是增加内存 中所有的有效页年
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4．磁盘空间的管理方式 ．
UNIX系统对于空闲盘块的管理，采用成组链接法。 该方法把第一组中的所有空闲盘块号放入超级块的空闲 盘块号栈中。
5．系统为打开文件建立的数据结构
UNIX系统打开文件的操作，就是由操作系统在内 存为文件建立相应的数据结构。系统为打开文件建立的 数据结构有三个，即：用户文件描述符表、文件表和内 存索引结点。
4．Unix系统中进程的家族关系 ． 系统中进程的家族关系
Unix的内核中设置了一个0＃进程，它是惟一一个 在系统引导时被创建的进程。在系统初启时，由0＃进 程再创建1＃进程及其它核心进程，然后1号进程又为 每个终端创建命令解释进程；用户输入命令后又创建若 干进程，这样便形成了一棵进程树。以后0号进程作为 系统的对换及调度进程，1号进程成为系统始祖进程， 同时又创建其它进程。系统中除0＃进程以外，所有其 它进程都是由fork创建的。
8.2 Windows 2000操作系统 操作系统
8.2.1 Windows 2000概述
Windows操作系统家族是微软公司的核心产品之 一，其产品包括Windows 95、Windows98、 Windows Me等桌面型操作系统以及Windows NT、 Me Windows NT Windows2000服务器操作系统。 Windows 2000是一个商用多用户操作系统，其开 发目标是开发工作站和服务器上的32位操作系统，以充 分利用32位微处理器等硬件的新特性，并使它很容易适 用将来的硬件变化，增加它的兼容性，同时，又不影响 已有的应用程序的兼容性。
1．多用户多任务 2．可移植性 3．树型文件系统结构 4．I/O重定向和管道技术 5．非富的实用程序 6．电子邮件
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8.1.3 UNIX系统的内核结构 系统的内核结构
应用程序及编译器界面 Shell Shell编辑器及其组件 内 核 硬 件
图8-1 UNIX系统层次结构模型
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2．字符队列 ．
缓冲Cache可支持像磁盘、磁带这样的块设备。另 一种缓冲则适用于面向字符的设备，如终端、打印机等。 字符队列可以由I/O设备写、处理器读或由处理器来写、 I/O设备读。
3．无缓冲I/O
无缓冲I/O是进程进行I/O的最快的方法，它在设备 和进程空间之间使用DMA，进行无缓冲I/O的进程在主存 中被锁起来，不能被换出。通过给高端内存加锁，减少 了交换的机会，但也降低了整个系统的性能。同时，I/O 设备也固定于一个进程，在传输中，不能为其他进程使 用。
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用户文件描述符表 户 fp 一 种 fp 方 式 户 二 fp 第 二 种 方 式 fp 户 四 fp 第 三 种 方 式 用
fp
文件表
内存索引结点
第
六 一
用 户
fp
用
f_offset f_inode f-flag f-count f_offset f_inode f-flag f-count …… f_offset f_inode …… f_offset f_inode
8-7 UNIX
……
i 点 …… j 点 …… k 内存索引结 点 …… l 点 …… 内存索引结 内存索引结 内存索引结
用 户 三 用
fp
fp
fp
用 户 五
fp
fp
…… 文件
f_offset f_inode
内存
结
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8.1.7 UNIX系统的设备管理 系统的设备管理
UNIX系统把设备分为两类，即字符设备和块设备。 在UNIX系统中有两种类型的I/O，即：缓冲I/O和无缓 冲I/O。 I/O 1．缓冲高速缓存 UNIX系统中的缓冲Cache实际上是一个磁盘 Cache。对于磁盘的I/O操作通过缓冲Cache处理。
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超级块包括以下内容： （1）文件系统大小。 （2）空闲盘块数目。 （3）空闲索引结点数目。 （4）空闲索引结点索引表。 （5）封锁标记。 （6）专用块修改标记。 （7）其它信息。
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2．文件的目录结构 ．
UNIX系统的目录结构采用了将文件名与文件描述 信息分开的方法。文件目录由文件名和该文件的索引结 点号构成。其中，文件名占14个字节，索引结点号占2 个字节。因此，在1KB的盘块中就可以存放64 （1K/16）个目录项。这样就节省了系统查找及访问文 件的时间。
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2．进程调度算法 ．
UNIX系统是分时系统，它的进程调度采用动态优先 数轮转调度算法。优先数越小，优先级别越高。例如，对 换进程的优先数是０，而等待磁盘I/O进程的优先数是２０。 UNIX S-5中进程的优先级分为两大类：用户优先级类和 核心优先级类。核心用两种方式改变进程的优先级：对核 心态进程设置优先数；对用户态进程计算优先数。
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（1）直接寻址 i.addr[0]~ i.addr[9]这10项。直接从索引结点中找出 该文件所在的磁盘块号，访问速度较快。 （2）一次间接寻址方式 i.addr[10]这一项中存放的磁盘块号。 （3）二次间接寻址方式 i.addr[11]存放的磁盘块号，采用两级索引的方式。 （4）三次间接寻址方式 i.addr[12]存放的磁盘块号，采用三级索引的方式。
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用户态 执行 系统调用 中断 返回 剥夺 调度 内存中 就绪 换 出 唤醒 换 入 返回到用户态
中断 中断返回 僵死 睡眠 内存中 睡眠 换 出 睡眠且 换出 唤醒
核心态 执行
被 剥夺
内存足 创 建 内存不足
就绪且 换出
图8-3 UNIX系统的进程状态转换
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用户程序
库函数
陷阱
核心层
用户层 系统调用接口 文件子系统
高速缓存 进程控制 子系统 进程通信 调度 内存管理
字符设备
块设备
设备驱动程序 硬 件 控 制
硬 件
图8-2 UNIX系统内核模型
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8.1.4 UNIX系统中的进程管理 系统中的进程管理
8.1 UNIX操作系统 操作系统
8.1.1 UNIX操作系统的发展
UNIX是目前最流行的操作系统之一，于1969年， 在美国的电报电话公司（AT&T）贝尔实验室诞生的。 最初的UNIX系统是用汇编语言编写的，1973年， Ritchie又用C语言重写了UNIX。
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8.1.2 UNIX操作系统的特点 操作系统的特点
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8.1.5 UNIX系统的内存管理 系统的内存管理
UNIX系统采用求请调页存储管理方式，支持内 外存的对换功能。内存空间的分配和回收均以页为单 位进行。 1．交换 1 将内存中处于睡眠状态的某些进程调到外存交 换区中，而将交换区中的就绪进程重新调入内存。为 实现这种策略，系统内核应具有交换空间的管理、进 程换出和进程换入这三个功能。
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3．文件的物理结构 ．
UNIX系统文件的物理结构采用混合索引方式， 对分配给文件的磁盘块进行管理。在UNIX文件系统 的索引结点中，存在一项i.addr[13]，用于存放该文 i.addr[13] 件的磁盘块号。如图8-7示出了UNIX系统的混合索引 文件结构。
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4．UNIX设备 ． 设备
UNIX系统本身可识别如下5种设备，即：磁盘驱 动器、磁带驱动器、终端、通信线、打印机。
5．磁盘的读/写方式 ．磁盘的读 写方式
（1）读方式 一般读方式。 提前读方式。 （2）写方式 一般写方式。 异步写方式。 延迟写方式。
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学习目标 掌握UNIX系统的内核管理方法 了解Windows系统的内核管理方法 了解分布式操作系统特性及进程管理方式
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教学内容
8.1 UNIX操作系统 8.2 WINDOWS 2000操作系统 8.3 分布式操作系统
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1．文件卷的组织结构 ．
0# 1# 2# 3# …… K# (K+1)# …… N#
UNIX系统中，文件是以块为单位存放在介质上的， 存储介质可以是磁盘或磁带。通常把每个磁盘或磁带看作 一个文件卷。上图示出了UNIX系统的文件卷结构。 其中，0号块是系统的引导块或空闲，当该系统需引导时 才有引导程序放在这里，其它一般文件系统都不使用引导 块；1号块为超级块（也称为专用块），它既是文件系统 的控制块，也是对空闲盘块和I结点等资源的管理表。从2 号块到第K号块为索引结点区，（K值由系统配置给定）， 用来存放该文件卷中所有文件的索引结点；从第K+1块至 第N块为文件区，用来存放系统中所有的文件。
1．UNIX进程的结构
（1）用户级上下文 用户级上下文主要成分是用户程序。包括正文段即 代码(text)、数据段(data)两部分。 （2）寄存器上下文 寄存器上下文主要是由CPU中的一些寄存器的内容 组成的。 （3）系统级上下文
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系统级上下文包括操作系统为管理该进程所用的信息， 可分为静态和动态两部分。它包括： proc结构：该结构常驻内存，内容包括经常需要访问 的往息，如进程标识符、进程状态等。 user结构：该结构暂驻内存，进程处于执行状态时调 入内存。它包含了进程的一些私有信息，如，进程表项指 针、有效用户标识符等各种资源表格。 进程区表：从虚拟地址到物理地址的映射。 核心栈：核心态执行时过程调用的栈结构。 若干寄存器级上下文。
4．缺页
在UNIX系统中可能会出现两类缺页：有效缺页和保 护性缺页。当出现缺页时，缺页处理程序可能要从盘上读 一个页面到内存，并在I/O执行期间睡眠。
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8.1.6 UNIX系统的文件管理 系统的文件管理
UNIX系统中的文件子系统，既具有很强的功能， 又具有灵活性。按文件的内部构造方式，UNIX系统 将文件分为三类，即：普通文件、目录文件和特别文 件（即设备文件）。UNIX系统的目录结构为有向非 循环图结构。
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文件名（14B） 文件名（14B） F1.c Myfile F6.c ABC ……
磁盘索引结点号（2B） 磁盘索引结点号（2B） 45 38 67 56 ……
UNIX一个文件的磁盘索引结点占64个字节， 主要包括文件标识符、文件存取权限、文件物理 地址、文件长度、文件连接系数、文件存取时间 等一些文件的重要信息。