操作系统重点难点解析

分析任务的同步关系
s
P8
任务启动后 P8先执行，当它结束后， P9 、 P10可
以开始执行， P9 、 P10都执行完毕后，任务终止。
信号灯设置
P10
P9
设两个同步信号灯s9、 s10分别表示进程P9和P10 能否开始执行，其初值均为0。 同步描述 P8 P9 P10
f
V(s9 )； V(s10 )；
进程的直接相互制约关系
互斥
同步
—— 两类同步问题：合作进程的执行次序 共享缓冲区的合作进程的同步
操作系统提供的同步机构
锁、上锁操作、开锁操作 信号灯、P操作、V操作
16
操作系统内容提炼
5．系统资源管理
(1) 资源分配机构
资源描述器 资源描述器定义
描述描述各类资源的最小分配单位的数据结构称为资源描述器 rd。
计算机操作系统 内容提炼与重难点解析
计算机操作系统内容提炼与重难点解析
提纲
认识操作系统 操作系统采用的技术 操作系统内容提炼
操作系统课程重点与难点解析
1
认识操作系统
一. 认识操作系统
什么是操作系统
操作系统的特点
2
认识操作系统
1. 认识操作系统
从操作系统在计算机系统中 的位置来分析
用
应 操 裸机 统 用 户 程 系 作
存储程序式计算机
10
操作系统内容提炼
2. 操作系统与各层的关系
(1) OS对各层的管理与控制
用 应 操 裸机 统 用 户 系 序 作 程
与硬件的关系
序
控制CPU的工作
访问存储器
设备驱动、中断处理
与用户及其他软件的关系 控制、管理 提供方便的用户界面 提供优质的服务
11
程
操作系统内容提炼
(2) 各层对OS的制约和影响
(1) 多用户、多任务同时执行(并发执行)
如何描述任务 ———— 进程的引入与进程概念 进程状态及控制 如何控制任务状态的变化 ———— 多任务关系如何协调 ————
同步与互斥
进程调度
多任务如何调度
————
6
操作系统采用的技术
(2) 系统资源共享
处理机如何共享 ————
存储器如何共享 ———— 存储分配、地址映射、虚存、存储保护 设备如何共享 ———— 设备分配、虚拟设备、设备驱动 信息如何共享 ———— 文件结构、存取方法、磁盘空间分配 文件共享、文件保护、文件完整性
须等待。
36
操作系统课程重点、难点解析 信号灯设置
信号灯sa用来表示缓冲区中是否有可供 打印的计算结果，其初值为0。sa = 0
信号灯sb用以表示缓冲区有无空位置存放新 的信息，其初值为1。 sb = 1
cp
缓冲区buf
io p
同步描述
cp: iop:
┆
产生一个数据； p(sb)； 将数据放入buf v(sa)；
程序A ┆ n := n+1; ┆ 程序B ┆ print(n); n := 0; ┆
设n初值为10
程序A的n :=n+1与 程序B的两个语句 的关系
n的初值 打印的结果 n的最终赋值
之前 10 11 0
之后 10 10 1
之间
10 10 0
29
操作系统课程重点、难点解析
(2) 如何实现正确的同步
资源描述器内容
资源名、资源类型、最小分配单位的大小、地址、分配标志、
描述器链接信息、存取权限、密级、存取时间
资源信息块
资源信息块定义
描述某类资源的请求者、可用资源和该类资源分配程序等必要信 息的数据结构。
17
操作系统内容提炼 资源信息块内容
等待队列头指针 可利用资源队列头指针 资源分配程序入口地址 请求者队列 可利用资源队列
进程
控制块 PCB 程 序 与 数 据

Λ
就绪队列

Λ Λ
打印机等待队列队列
14
操作系统内容提炼
4．多任务并发执行的机制和策略
(2) 进程控制、进程调度、进程队列结构之间的关联
进程控制
创建 撤消 ready_q_start PCB
1
PCB
2
PCB
9
next
就绪队列结构 wait_lpt_q_start PCB3 PCB7
操作系统提供同步工具
锁、上锁原语、开锁原语
能实现互斥 信号灯、P操作原语、V操作原语 能实现同步与互斥
用户编程时，正确描述有直接相互制约关系的各进程的
同步关系 (互斥的实现相对简单，这里不作讨论)
30
操作系统课程重点、难点解析
(3) 进程同步的概念
什么是进程同步
所谓同步，就是并发进程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消 息，这种相互制约的等待与互通消息称为进程同步。
技术发展快
基础性和先进性的关系
4
操作系统采用的技术
二. 操作系统采用的技术
并行处理技术
并行性: 处理多个同时性活动的能力
并行处理: 利用多个处理部件，为完成一个整体任务而同
时执行。
虚拟技术
用户的逻辑视图与操作系统所管理的物理视图分离 逻辑视图与的物理视图映射
5
操作系统采用的技术
1. 并行处理技术
P(s9 )；
P(s10 )；
35
操作系统课程重点、难点解析
共享缓冲区的合作进程的同步的解法
计算进程 cp和打印进程 iop公用一个单缓冲， 为了完成正确的计算与打印，试用信号灯的 p、v操作实现这两个进程的同步。
缓冲区buf cp iop
分析任务的同步关系
当cp进程把计算结果送入buf时，iop进程才能从buf中取出结果去 打印，即当buf内有信息时，iop进程才能动作，否则必须等待。 当iop进程把buf中的数据取出打印后，cp进程才能把下一个计算结 果数据送入buf中，即只有当buf为空时，cp进程才能动作，否则必
23
操作系统课程重点、难点解析
1. 进程状态及变迁
(1) 进程的三个基本状态及变迁
运行、就绪、等待
运 行 服务请求 (请求I/O等)
进程调度
就绪 服务完成/ 事件来到
等待
24
操作系统课程重点、难点解析
运 行 服务请求 (请求I/O等) 时间片到 ×
进程调度
?
就绪 服务完成/ 事件来到 等待
25
操作系统课程重点、难点解析
下层硬件环境的制约
用 应 操 裸机 统 用 户 系 序 作 程
提供OS运行基础
序
限制了OS的功能实现 用户和上层软件的要求 用户需求 提供优质的服务 方便的用户界面
程
12
操作系统内容提炼
3. 计算机系统结构与操作系统的关系
计算机系统结构 一对矛盾 操作系统
顺序计算模型
如何解决矛盾 ? OS采用了一系列软件技术
程
序
操作系统是什么 ？
操作系统定义
操作系统能做什么 ？
操作系统的功能
序
操作系统如何去做 ？
操作系统的实现技术
3
认识操作系统
2. 操作系统的特点
内容庞杂、涉及面广
管理、控制所有硬件 管理所有软件，控制程序的执行
应
用
程
序
操 裸机 统 系 作
为用户提供良好的接口
用 户 程
序
实践性强
操作系统原理与实际运行的操作系统的关系
反映了进程要求处理的紧迫程度。 每一个新产生的请求按优先级的高低插入到队列适当的位置上，
而当资源可用时，资源分配程序则从队列中选取第一个请求，并
满足其需要。 排序原则：按优先级的高低排序
表头
高 按优先级的高低排序 按优先级高低排列的就绪队列
低
21
操作系统内容提炼 针对设备特性的调度策略 调度的目标 当有大量I/O请求时，降低完成这些I/O服务的总时间
7
策略、调度、处理机分派
操作系统采用的技术
2. 虚拟技术
用户的逻辑视图与操作系统所管理的物理视图分离
应用程序1，应用程序2， 应用程序n
CPU1 软 件 分时 硬 件
CPU2

虚拟主存1 主存管理
虚拟主存2

打印机1
打印机2

假脱机打印
CPU
主存
打印机

8
操作系统内容提炼
三. 操作系统内容提炼
(2) 具有进程基本状态的变迁图
运 行 服务请求 (请求I/O等)
进程调度
就绪
等待
服务完成/ 事件来到
26
操作系统课程重点、难点解析
(3) 进程状态变迁的讨论
运 行
4 3
1
就绪
等待
2
变迁1 → 变迁4
变迁3 → 变迁4 变迁1 → 变迁3
27
操作系统课程重点、难点解析
2. 进程的同步与互斥
(1) 为什么需要同步
p(sa)；
从buf中取数据； v(sb)； 打印；
37
操作系统课程重点、难点解析
3. 页式存储管理技术
(1) 虚地址结构
当CPU给出的虚地址长度为16位，页面大小为1KB时， 在分页系统中地址结构的格式如下
页号 P 0 0 0 0 1 0 15 10 9 页内位移 W 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
并行计算模型
多道程序设计技术、分时技术、资源分配与调度等 计算机体系结构与硬件技术的变化
单CPU计算机 计算机网络 (多计算机系统) 消息传递型多计算机
13
操作系统内容提炼
4．多任务并发执行的机制和策略
(1) 所需的数据结构
进程控制块：PCB 进程队列
就绪队列 各种等待队列 运行指针
打印机等待 运行指针 队列头指针 就绪队列头指针
0 200 mov r1 ,[2050]
1KB
2KB 2050 123 3KB1 作业2地址空间
虚存的大小：210 ×26
CPU给出的虚地址长度为32位，页面大小为4KB时
页号P p 31 页内位移W w
虚存的大小：220
×212
12
11
0
38
操作系统课程重点、难点解析
进程同步的例 病员就诊
看病活动： ┆ 要病人去化验； 化验活动： ┆ 需要进行化验 ? 进行化验； ┆ 开出化验结果； ┆
31
┆
等化验结果； ┆ 继续诊病；
操作系统课程重点、难点解析 共享缓冲区的计算进程与打印进程的同步
计算进程 cp和打印进程 iop公用一个单缓冲
cp iop
A B
缓冲区buf
E
进程调度程序
19
操作系统内容提炼
(2) 资源分配策略
先请求先服务
每一个新产生的请求均排在队尾，而当资源可用时，资源分配程
序则从队列中选取第一个请求，并满足其需要。 排序原则：按请求的先后次序排序
表头
先 按请求的先后次序
按自然顺序排列的就绪队列
后
20
操作系统内容提炼 优先调度
在优先调度策略下，对于每一个进程要指定一个优先级，优先级
移臂调度
总是选取与当前移动臂前进方向上最近的那个I/O请求，
使移臂距离最短。
旋转调度 总是选取与当前读写头最近的那个I/O请求，使旋转圈 数最少。 UNIX、Linux系统的磁盘调度采用的是电梯调度策略
22
操作系统课程重点、难点解析
四. 操作系统课程重点、难点解析
进程状态及变迁
进程的同步与互斥 页式存储管理技术 文件索引结构
D
C
B
A
C
D E
┇
32
操作系统课程重点、难点解析
(4) 进程同步的实现
设：程序A对做n加1的操作，程序B打印n值，并将它重新 置为零。
信号灯设置
PA ┇ n := n+1; ┇ ┇ PB ┇ print(n); n := 0; ┇
s：表示进程A是否执行了加1操作，s = 0 同步描述
PA
┇ n := n+1; v(s );
资源分配程序
等待队列头指针 可利用资源队列头指针 资源分配程序入口地址
PCB1
PCB2
┅
PCBn
RD1
RD2
┅
RDm
资源分配程序
18
操作系统内容提炼
资源信息块例
中央处理机资源信息块内容
ready-q-start 可用处理机信息 scheduler-addr CPU描述器
PCB1 PCB2
┅
PCBk
无 运行 就绪
有
等待
消亡 等待 等待
唤醒
next
打印机等待队列结构
进程调度
功能 策略
running
PCB4
next
运行指针 15
操作系统内容提炼
4．多任务并发执行的机制和策略
Baidu Nhomakorabea(3) 多任务协调
多任务之间的相互制约关系
间接的相互制约关系 —— 直接的相互制约关系 —— 操作系统的资源分配功能 操作系统提供同步机构
PB
┇ p(s ); print(n);
┇
┇
n := 0;
┇
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操作系统课程重点、难点解析
(5) 两类同步问题的解法
合作进程的执行次序 进程流图
s P1 P2 P3 P6 f f P5 P4 P5 s
s P6 P9 P7
f P8 P10
34
操作系统课程重点、难点解析 例: P8、 P9 、 P10为一组合作进程，其进程流图如图所 示，试用信号灯的p、v操作实现这三个进程的同步。
现代操作系统内容框架
操作系统与各层的关系 计算机系统结构与操作系统的关系 多任务并发执行的机制和策略 系统资源管理的策略和方法
9
操作系统内容提炼
1．现代操作系统内容框架
操作系统的用户界面
进程及进程管理
进程概念 进程控制 进程调度 进程同步
系统资源管理
处理机管理 存储管理 设备管理 文件系统
操作系统与硬件的接口
并发程序的特点 失去程序的封闭性和可再现性
若一个程序的执行可以改变另一个程序的变量，那么，
后者的输出就可能有赖于各程序执行的相对速度，即失 去了程序的封闭性特点。
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操作系统课程重点、难点解析 例：讨论共享公共变量的两个程序，执行时可能产生的不 同结果。
设：程序A对做n加1的操作， 程序B打印n值，并将它重新置为零。