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第二章网络操作系统基本功能从通用操作系统出发，对网络操作系统的五大功能和一个接口。考核内容网络操作系统的用户接口进程管理处理机管理存储管理输入/输出管理考核知识点及考核要求-识记操作系统的用户接口进程的状态与转换，线程的概念和多线程模型调度的概念，调度的基本准则，死锁概念存储管理的概念，存储体系，内存分配方式文本、目录和文件系统，文件和目录的操作文件的逻辑结构、物理结构输入/输出管理的概念考核知识点及考核要求-领会命令行与脚本文件系统调用的概念，系统调用的种类进程概念，进程的特征，进程控制，PCB概念，进程队列，进程同步的概念处理机调度，调度时机，切换与过程，调度方法，死锁发生的原因静态、动态重定位，共享与保护，虚拟存储管理，页式存储管理，缺页中断，页面分配和置换文件结构和存取方法，记录式文件和流式文件文件存取，文件系统实现，位示图和链表，文件的保护与共享。设备分配原则，缓冲和假脱机技术磁盘调度，调度算法考核知识点及考核要求-应用进程状态及其相互转换，进程队列利用信号量实现进程同步与互斥运用进程调度算法实现进程调度地址转换的计算运用位示图计算内存分配运用页面置换算法计算置换的页面文件的成组计算和分解磁盘调度计算2.1网络操作系统的用户接口用户接口是为了方便用户使用计算机系统所建立的用户和计算机之间的联系，通常指软件接口，即在人机联系的硬设备接口基础上开发的软件，也称为人机界面。用户接口分为两个部分：–命令接口–系统调用命令接口命令接口提供了用户直接或间接控制计算机的方式，操作系统向用户提供了命令接口，用户利用操作系统提供的命令组织和控制程序的执行或管理计算机系统。命令接口可以分为联机用户接口和脱机用户接口。–联机用户接口：命令行输入、图形用户接口–自然用户接口：语音控制命令–脱机用户接口：脚本文件系统调用系统调用，就是用户在程序中调用操作系统所提供的相关功能。系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。系统调用的主要目的是使用户在编写程序时可以使用操作系统提供给的有关设备管理、输入/输出系统、文件系统和进程控制、通信以及存储管理等方面的功能，而不必了解系统的内部结构和有关硬件细节。系统调用和机器指令系统调用是一种特殊的过程调用，可以看成是机器指令的扩充。系统调用是由操作系统核心解释执行，是软件实现的，而机器指令是由机器硬件或微程序解释执行的。系统调用的种类进程控制类系统调用文件操作类系统调用进程通信类系统调用设备管理类系统调用信息维护类系统调用2.2进程（线程）管理进程的概念进程的状态与转换进程的组织与控制进程的同步线程的概念及多线程模型死锁进程的概念进程是具有一定独立功能的程序在某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的一个独立单位。从操作系统的角度看，可将进程分为系统进程和用户进程两类。系统进程优先级通常高于一般用户进程的优先级。进程与程序的联系和区别进程和程序的联系–程序时构成进程的组成部分之一，一个进程的运行目标是执行它所对应的程序，如果没有程序，进程就失去了存在的意义。进程由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成。进程和程序的区别–程序地静态的，而进程是动态的。进程是程序的一个执行过程。程序是永久的，而进程是为了程序的一次执行而暂时存在的。进程由生命周期，一个进程可以包括若干程序的执行，而一个程序亦可以产生多个进程。进程具有创建其他进程的功能，被创建的进程称为子进程，fock而创建者称为父进程。可再入程序一个能够被多个用户同时调用的程序称为“可再入”程序。可再入程序必须是“纯”代码的程序，程序在执行中不会修改自身的代码。可再入程序的操作对象（数据）是与程序分离的。现在操作系统及编译程序都属于可再入程序。进程的特征操作系统的并发性和共享性是通过进程的活动体现出来的。进程是可拥有资源的独立单位独立调度和分配的基本单位进程具有以下特征：–并发性进程可以与其他进程同时往前推进–动态性–独立性–交互性–异步性–结构性进程的状态与转换进程的三种基本状态：运行、就绪、等待运行状态–指一个进程已获得CPU，并且正在CPU上执行。在单CPU系统中，任何时刻最多只有一个进程能够处于运行状态。就绪状态–指一个进程已具备运行条件，但由于没有获得CPU，所有尚不能运行。处于就绪状态的进程可以有多个。等待状体–指一个进程处于因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态，也称为阻塞状态或封锁状态。处于等待状态的进程可以有多个。进程状态转换图进程状态的转换由操作系统完成，它对用户是透明的。运行状态就绪状态等待状态等待的事件已发生进程的组织与控制进程控制块的内容进程的组成进程的队列进程队列的组成进程控制进程控制块为了便于系统控制和描述进程的活动过程，在操作系统核心中定义了一个专门的数据结构，称为进程控制块（PCB）。进程控制块的作用操作系统利用PCB来描述进程的基本情况以及进程的运行变化过程。PCB是进程存在的唯一标志，当系统创建一个进程是，为进程设置一个PCB，在利用PCB对进程进行控制和管理。撤销进程时，系统收回PCB，进程也随之消亡。进程控制块的内容进程控制块的内容可以分成调度信息和现场信息两大部分。调度信息供进程调度时使用，描述了进程当前所处的状况，包括进程名、进程号、存储信息、优先级、当前状态、资源清单、“家族”关系、消息队列指针、进程队列指针和当前打开文件等。现场信息刻画了进程的运行情况，只记录那些可能会被其他进程改变的寄存器，如程序状态字、时钟、界地址寄存器等内容。PCB的内容和大小因系统不同而异，它不仅和具体系统的管理及控制方法有关，也和系统规模的大小有关。进程的组成进程由程序、数据和进程控制块(PCB)三部分组成。PCB中保存有进程的地址信息，通过PCB可以得到进程程序的存储位置，也可以找到整个进程。程序部分描述了进程要是实现的功能，数据则是程序操作的对象。进程的队列系统中进程的队列分为三类：就绪队列–所有处于就绪状态的进程都安装某种原则排在一个就绪队列中。等待队列–对每一种等待事件组织一个队列，当进程等待某一事件时，进入与该事件相应的等待队列。运行队列–在单CPU系统中，整个系统有一个运行队列，运行队列中只有一个进程。进程队列的组成进程队列可以用进程控制块的链接来形成。常用的链接方式有两种：单向链接和双向链接。0PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB队首进程控制对进程在整个生命周期中各种状态之间的转换进行有效的控制，称为进程控制。进程控制是通过进程控制原语来实现的。原语就是由若干条指令所组成的一个指令序列，用来实现某个特定的操作功能。这个指令序列的执行是连续的，不可分割的，执行时不可间断，直至该指令序列执行结束。用于进程控制的原语创建原语撤销原语阻塞原语唤醒原语进程同步进程的同步是指进程之间一种直接的协同工作关系，一些进程相互合作，共同完成一项任务。进程之间的同步也是进程间的一种直接制约关系。能实现进程同步的机制称为同步机制。进程互斥在系统中，许多进程常常需要共享资源，而这些资源往往要求排他性地使用，即一次只能为一个进程服务，因此，各进程间只能互斥地使用这些资源，进程间的这种关系就是进程互斥。进程的互斥是进程间的一种间接制约关系。临界区若系统中的某些资源一次只允许一个进程使用，则这类资源称为临界资源或共享变量，而在进程中访问临界资源的那一段程序称为临界区。若干个进程共享某一临界区，则该临界区称为相关临界区。为了保证系统中各个并发进程顺利运行，对两个以上欲进入相关临界区的进程必须实行互斥。系统对相关临界区使用的调度原则有空让进无空等待多中择一有限等待让权等待信号量和P、V操作信号量P、V操作信号量与P、V操作的物理含义用P、V操作实现进程之间的互斥用P、V操作实现进程间的同步信号量信号量是一种特殊的变量，它的表面形式是一个整型变量附加一个队列，它只能被特殊的操作（P操作和V操作）使用。P操作和V操作都是原语。信号量是个被保护的量，只有P、V操作和信号量初始化操作才能访问和改变它的值。信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。信号量S0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S£0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S³0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。P、V操作P(S){S:=S-1;IF(S0)置该进程为等待ELSE}V(S){S:=S+1;IF(S=0)将等待进程变为就绪ELSE}信号量与P、V操作的物理含义信号量S表示某类可用的临界资源，对于不同的临界资源，可以用不同的信号量表示。S=0时，表示某资源的可用数S0时，表示没有可分配的资源，S的绝对值表示等待队列中的进程数。一次P操作申请一个资源，一次V操作释放一个资源。信号量的初始值信号量可分为公用信号量和私用信号量公用信号量：实现进程间的互斥，初值=1或资源的数量私用信号量：实现进程间的同步，初值=0或资源的数量。（也可以把信号量看成是同步的一个消息，当信号量为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量为非0时，表示期望的消息已经存在。）利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型进程P1进程P2……进程Pn………………P（S）；P（S）；P（S）；临界区；临界区；临界区；V（S）；V（S）；V（S）；……………………使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是（1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。（2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。（3）互斥信号量的初值一般为1。利用信号量和PV操作实现进程同步PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。（1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。（2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。（3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。生产者-消费者问题在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。定义两个同步信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer;V(full);}消费者进程while(True){P(full);从Buffer取出