第3章 操作系統(tǒng)用戶接口及作業(yè)管理

第3章操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理

學習目標:掌握操作系統(tǒng)用戶接口的分類及其主要功能。掌握作業(yè)的分類。掌握作業(yè)的基本狀態(tài)及其之間的轉換。掌握作業(yè)調度的原則。掌握常見的作業(yè)調度算法。了解Linux系統(tǒng)中的用戶接口與作業(yè)管理。第3章操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理3.1用戶接口3.2作業(yè)管理概述3.3作業(yè)調度3.4Linux中的用戶接口與作業(yè)管理3.1用戶接口3.1.1程序接口3.1.2命令接口3.1.3操作系統(tǒng)用戶接口的發(fā)展3.1.1程序接口程序接口(ProgramInterface)是操作系統(tǒng)為正在運行的應用程序服務并與之通信的設施。程序接口由一組系統(tǒng)調用(SystemCall)命令組成，用戶在程序中用這些系統(tǒng)調用命令請求操作系統(tǒng)提供服務，通過系統(tǒng)調用實現(xiàn)應用程序與操作系統(tǒng)的通信。系統(tǒng)調用是操作系統(tǒng)提供給軟件開發(fā)人員的程序接口，開發(fā)人員可以通過系統(tǒng)調用使用系統(tǒng)功能。所謂系統(tǒng)調用，是指用戶在程序中調用操作系統(tǒng)提供的一些子功能，是用戶在程序級請求操作系統(tǒng)服務的一種手段。1、程序的狀態(tài)程序分為系統(tǒng)程序和用戶程序。系統(tǒng)程序是管理者和控制者，享有更高的特權。系統(tǒng)程序運行的狀態(tài)稱為管態(tài)，用戶程序運行的狀態(tài)稱為目態(tài)。只能在管態(tài)下執(zhí)行，而不能在目態(tài)下執(zhí)行的特殊指令為特權指令。常見的特權指令有：傳達程序狀態(tài)字指令啟動、測試和控制外設的指令存取特殊寄存器的指令2、系統(tǒng)調用系統(tǒng)調用是為了增強系統(tǒng)功能，方便用戶的程序接口。從功能上看，執(zhí)行一條系統(tǒng)調用相當于執(zhí)行一條功能很強的機器指令。系統(tǒng)調用是在用戶程序中利用系統(tǒng)調用命令調用由操作系統(tǒng)提供的子功能，也可以成為廣義指令。3、系統(tǒng)調用與過程調用的區(qū)別(1)運行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)一般的過程調用，其程序和被調用的過程，都運行在同一系統(tǒng)狀態(tài)下，或管態(tài)或目態(tài)。(2)通過軟中斷進入一般的過程調用可直接由調用轉向被調用過程。而系統(tǒng)調用由于調用過程和被調用過程處于不同的系統(tǒng)狀態(tài)，不允許由調用過程直接轉向被調用過程，只能通過軟中斷(trap)機制，先進入操作系統(tǒng)內核，經(jīng)內核處理后，才能轉向相應的系統(tǒng)調用處理程序。3.1.2命令接口

通常認為操作系統(tǒng)提供了兩類用戶接口：命令接口和程序接口 命令接口包括命令行接口和圖形接口。

1、命令行接口命令行接口的功能：文件和目錄的管理文件編輯和處理文件系統(tǒng)的管理權限管理通行命令資源要求命令個人工具2、圖形用戶接口圖形用戶接口（GUI）是通過鼠標對屏幕上的對象進行點擊，以控制和操縱程序的運行或管理計算機系統(tǒng)。圖形接口是命令行接口的發(fā)展，是命令接口的圖形化。典型的圖形用戶接口是Windows和X-Window等。3、命令接口的控制方式（1）聯(lián)機命令接口

（2）脫機命令接口3.1.3操作系統(tǒng)用戶接口的發(fā)展第一階段。為用戶提供命令行接口和程序中使用的系統(tǒng)調用，是一維空間環(huán)境。第二階段。提供圖形接口，是二維界面的環(huán)境。以圖形、窗口和菜單為主要顯示界面的圖形用戶接口，采用鼠標作為主要的輸入方式，受到廣大計算機用戶的歡迎，并對計算機的普及起到了關鍵性的作用。第三階段。提供立體空間操作環(huán)境和語言接口，三維圖像顯示立體效果，屏幕上顯示出家電或其他控制儀器，利用鼠標去觸摸、去感受。未來操作系統(tǒng)向智能化、傻瓜化發(fā)展，用戶要求計算機做什么，計算機就做什么，至于怎么做用戶就不用操心了。

3.2作業(yè)管理概述3.2.1作業(yè)及其類型3.2.2作業(yè)的狀態(tài)及其轉換3.2.3作業(yè)控制級的接口3.2.1作業(yè)及其類型1.作業(yè)、作業(yè)步和作業(yè)步任務

作業(yè)是指用戶提交給計算機進行加工的一個任務，它是由用戶程序、數(shù)據(jù)以及某種形式的控制信息所組成的。通常，一個作業(yè)又可分為若干個順序處理的作業(yè)步。例如，在對一個用某高級語言編制的源程序進行調試處理時，往往要經(jīng)過編輯、編譯、運行等幾個作業(yè)步。其中的每一個作業(yè)步又可進一步細分為若干個作業(yè)步任務。2.作業(yè)的類型從調度的角度分類：(1)計算型作業(yè)。(2)I/O型作業(yè)從控制的角度分類：(1)脫機作業(yè)（批量型作業(yè)）(2)聯(lián)機作業(yè)（終端型作業(yè)）3.作業(yè)管理的功能(1)作業(yè)調度由作業(yè)調度程序按照一定的算法，從處于后備狀態(tài)的作業(yè)隊列中，選出一個或一批作業(yè)調入內存，為之分配處理機之外的所有其他的所需資源。然后為之創(chuàng)建進程，并插入進程就緒隊列中，使它們成為具有獲得處理機資格的候選進程。

只有批處理系統(tǒng)才必須具有作業(yè)調度。(2)作業(yè)控制這是指用戶通過操作系統(tǒng)提供的用戶與操作系統(tǒng)的接口，向系統(tǒng)發(fā)出各種命令，以管理自己的作業(yè)和控制作業(yè)的運行。根據(jù)作業(yè)性質的不同，又可把作業(yè)控制分為脫機作業(yè)控制和聯(lián)機作業(yè)控制兩種。

脫機作業(yè)控制是指操作系統(tǒng)利用作業(yè)說明書，對用戶提交的批量型作業(yè)進行控制；而聯(lián)機作業(yè)控制是指用戶利用操作系統(tǒng)提供的一組鍵盤命令，對自己的作業(yè)進行控制。3.2.2作業(yè)的狀態(tài)及其轉換

1.進入狀態(tài)當操作員將用戶提交的作業(yè)通過某種輸入方式(如脫機I/O或SPOOLing方式)，將作業(yè)輸入到外存上時，稱此階段的作業(yè)處于進入狀態(tài)。2.后備狀態(tài)當作業(yè)所需全部信息已輸入到外存，由作業(yè)建立程序為之建立了作業(yè)控制塊(JobControlBlock,JCB)，并插入到后備作業(yè)隊列中等待調度運行為止。把作業(yè)在后備隊列上等待調度的狀態(tài)稱為后備狀態(tài)。3.運行狀態(tài)作業(yè)調度程序從處于后備狀態(tài)的作業(yè)隊列中選中一個作業(yè)調入內存，并為之建立相應的進程后，由于此時的作業(yè)已具有獨立運行的資格，如果處理機空閑，便可立即開始執(zhí)行，故稱此時的作業(yè)是進入了運行狀態(tài)。作業(yè)的運行狀態(tài)又可進一步分為就緒、執(zhí)行和阻塞三個基本狀態(tài)。4.終止狀態(tài)當作業(yè)(進程)的運行正常完成或異常結束時，進程便自我終止，或被迫終止，此時作業(yè)便進入終止狀態(tài)。圖3.1作業(yè)的狀態(tài)及其轉換3.2.3作業(yè)控制級的接口為了便于用戶直接或間接地控制自己的作業(yè)，操作系統(tǒng)向用戶提供了命令接口，用戶可通過該接口向作業(yè)發(fā)出命令以控制作業(yè)的運行。1.聯(lián)機用戶接口聯(lián)機用戶接口是為聯(lián)機用戶提供的，它由一組鍵盤操作命令及命令解釋程序組成。2.脫機用戶接口脫機用戶接口由一組作業(yè)控制語言(JCL)組成。事先寫在作業(yè)說明書，然后將作業(yè)連同作業(yè)說明書一起提供給系統(tǒng)。3.3作業(yè)調度3.3.1作業(yè)調度應考慮的因素3.3.2作業(yè)調度算法3.3.1作業(yè)調度應考慮的因素何為作業(yè)調度？作業(yè)調度應考慮的因素：(1)系統(tǒng)的目標應根據(jù)系統(tǒng)的目標來設計作業(yè)調度算法。最大吞吐量？保證緊迫作業(yè)得到優(yōu)先處理？(2)作業(yè)的優(yōu)先級保證緊迫作業(yè)能獲得及時處理的重要方法，是在作業(yè)調度算法中引入優(yōu)先級機制，為緊迫作業(yè)賦予高優(yōu)先級。(3)作業(yè)的平均周轉時間衡量一個作業(yè)調度算法的重要指標，是作業(yè)的平均周轉時間和平均帶權周轉時間。(4)作業(yè)對資源的要求作業(yè)對資源的要求包括對處理機執(zhí)行時間的要求、對內存空間的要求以及對外部設備的要求等。(5)系統(tǒng)資源的均衡使用為了能同時提高處理機和各種外部設備的利用率，作業(yè)調度程序在選擇作業(yè)投入運行時，應對計算型作業(yè)和I/O型作業(yè)予以搭配。3.3.2作業(yè)調度算法1.先來先服務(FCFS)調度算法這是一種最簡單的作業(yè)調度算法。先來先服務算法是在作業(yè)進入系統(tǒng)后，由作業(yè)建立程序按作業(yè)進入系統(tǒng)的先后次序，將作業(yè)插入后備隊列。2.最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)調度算法作業(yè)的長短是指作業(yè)運行時間的估計值。最短作業(yè)優(yōu)先算法的依據(jù)是作業(yè)的長短，是從后備隊列中選擇其估計運行時間最短，且系統(tǒng)的可分配資源能滿足其要求的作業(yè)，使之投入運行。3.響應比高者優(yōu)先(HRN)調度算法響應比=(作業(yè)等待時間+作業(yè)要求的運行時間)/作業(yè)要求的運行時間由上式可以看出：隨著作業(yè)等待時間的增加，其響應比也增加，故作業(yè)在等待了足夠長的時間后，總會成為響應比最高者，從而可被調度程序選中而投入運行；在等待時間相同(但不為0)的情況下，最短作業(yè)將被優(yōu)先調度運行；當作業(yè)要求運行的時間相同時，先到達的作業(yè)將先被調度運行。4.優(yōu)先級高者優(yōu)先(HPF)調度算法為了能對緊迫作業(yè)進行及時處理，目前廣泛采用優(yōu)先級高者優(yōu)先調度算法。該算法是從后備隊列中選擇優(yōu)先級高者投入運行。在采用該算法時要解決兩個問題：第一，如何確定作業(yè)的優(yōu)先級；第二，作業(yè)的優(yōu)先級一經(jīng)確定之后，在作業(yè)的整個運行期間是否保持不變。作業(yè)優(yōu)先級的確定方法(1)作業(yè)優(yōu)先級由系統(tǒng)確定通常其出發(fā)點是為了提高系統(tǒng)吞吐量，或使多個作業(yè)均衡地利用系統(tǒng)資源，為此，系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)類型確定其優(yōu)先級。此外，系統(tǒng)也可根據(jù)作業(yè)對資源要求的多少來確定作業(yè)的優(yōu)先級，例如，為要求處理機時間短的作業(yè)賦予高優(yōu)先級。(2)作業(yè)優(yōu)先級由用戶指定在由用戶指定作業(yè)的優(yōu)先級時，主要是根據(jù)作業(yè)的緊迫程度和用戶的經(jīng)濟實力來決定。對于緊迫作業(yè)賦予其高優(yōu)先級，非緊迫作業(yè)賦予低優(yōu)先級。作業(yè)優(yōu)先級的分類(1)靜態(tài)優(yōu)先級。靜態(tài)優(yōu)先級是指作業(yè)的優(yōu)先級一經(jīng)確定后便不再改變。這種優(yōu)先級方式實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)開銷較小，但低優(yōu)先級作業(yè)可能會長期得不到運行機會。(2)動態(tài)優(yōu)先級。動態(tài)優(yōu)先級是指作業(yè)的優(yōu)先級在運行期間要改變。改變優(yōu)先級有兩種常用方法：一種方法是隨著作業(yè)等待時間的增加，其優(yōu)先級也隨之提高；另一種方法是在作業(yè)運行過程中，其優(yōu)先級隨著剩余運行時間的減少而提高。前一方法可防止低優(yōu)先級作業(yè)