計算機操作系統(tǒng)教程(張堯?qū)W-史美林-張高)(第三版)第二章

第二章作業(yè)管理從宏觀上研究一個程序從錄入到運行，最后獲得運行結(jié)果的全過程用戶接口作業(yè)的概念作業(yè)的建立作業(yè)的狀態(tài)和調(diào)度作業(yè)管理在OS中的地位§1、用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供兩種接口，其中一類是為一般用戶提供的操作命令接口，另一類為提供給編程人員的系統(tǒng)調(diào)用（systemcall）接口命令調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用用戶接口的發(fā)展命令調(diào)用方式命令形式內(nèi)部命令系統(tǒng)啟動時與操作系統(tǒng)一起裝入內(nèi)存——OS的一部分例DOS：Type,Dir,copy,……Windows:資源管理器中的菜單、按鈕，……外部命令以文件形式存放，調(diào)用時裝入內(nèi)存例DOS：Edit,……Windows:桌面上的圖標(biāo)，快捷方式（圖標(biāo)），……使用命令的方式聯(lián)機方式：單個命令，以交互方式通過OS與計算機系統(tǒng)進(jìn)行會話優(yōu)點：用戶直接參與控制，靈活不足：重復(fù)輸入命令，繁瑣且效率低脫機方式：批命令，使用批處理命令或由命令編寫的批處理文件優(yōu)點：系統(tǒng)按批處理要求自動執(zhí)行，用戶不干預(yù)，效率高不足：不便于及時調(diào)整要執(zhí)行的命令集合，靈活性差命令分類（書P27）環(huán)境設(shè)置執(zhí)行權(quán)限管理系統(tǒng)管理文件管理執(zhí)行管理通信資源要求系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的含義系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)為編程人員提供的接口，各種操作系統(tǒng)的核心中都設(shè)計有一組一組的用于實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的子程序作為機器指令的擴充。系統(tǒng)將這些子程序“開放”給用戶，方便用戶可靠地調(diào)用系統(tǒng)有關(guān)的資源，而用戶不必從頭熟悉或重新編寫子程序。每當(dāng)用戶在程序中需要操作系統(tǒng)提供某種服務(wù)時，便可利用一條條相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用命令，去調(diào)用所需的系統(tǒng)過程。例DOS：庫函數(shù)，……Windows:API，……系統(tǒng)調(diào)用的分類（書P32）設(shè)備管理文件管理進(jìn)程管理進(jìn)程通信存儲管理調(diào)用中的幾個概念陷入（訪管）指令—把由于系統(tǒng)調(diào)用引起的處理機中斷的指令稱為陷入（訪管）指令。廣義指令—利用陷入指令來定義的指令稱為廣義指令。是通過執(zhí)行相應(yīng)的程序模塊來實現(xiàn)的，它是機器指令的擴充。用戶態(tài)（目態(tài)）——處理機在用戶程序中執(zhí)行系統(tǒng)態(tài)（管態(tài)）——處理機在系統(tǒng)程序中執(zhí)行用戶程序與陷入（訪管）指令訪問系統(tǒng)程序及數(shù)據(jù)的區(qū)別調(diào)用中若發(fā)生錯誤，用戶程序的錯誤不影響系統(tǒng)，系統(tǒng)程序的錯誤可能引起系統(tǒng)崩潰系統(tǒng)數(shù)據(jù)用于管理系統(tǒng)狀態(tài)與系統(tǒng)資源，用戶程序調(diào)用中若被修改可能引起系統(tǒng)管理的混亂用戶程序調(diào)用時現(xiàn)場保護(hù)在用戶區(qū)內(nèi)——系統(tǒng)資源的變化不能修改其中的數(shù)據(jù)。OS調(diào)用時現(xiàn)場保護(hù)在OS的內(nèi)存區(qū)內(nèi)或特定的寄存器中——系統(tǒng)資源的變化不能修改其中的數(shù)據(jù)。用戶程序調(diào)用時控制權(quán)屬于用戶，OS調(diào)用時控制權(quán)屬于OS。系統(tǒng)調(diào)用原則為了保障操作系統(tǒng)的安全性，使得操作系統(tǒng)的程序不被用戶程序破壞，一般操作系統(tǒng)都不允許用戶程序訪問操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序及數(shù)據(jù)。編程人員可以利用陷入（訪管）指令來向操作系統(tǒng)提出對系統(tǒng)程序及數(shù)據(jù)訪問要求。系統(tǒng)調(diào)用的處理過程訪管指令由“參數(shù)區(qū)”、“參數(shù)”和“操作數(shù)”組成?！安僮鲾?shù)”用來表示請求操作系統(tǒng)所要干的工作，并說明是否要有參數(shù)區(qū)和具體參數(shù)。參數(shù)或參數(shù)區(qū)的首址通常約定放在某個通用寄存器中CPU執(zhí)行到“訪管”指令時，將“訪管”指令存入主存中的約定單元，然后產(chǎn)生“訪管”中斷，根據(jù)參數(shù)區(qū)、參數(shù)和操作數(shù)引出操作系統(tǒng)來處理“訪管”中的具體要求。用戶程序陷入處理機構(gòu)系統(tǒng)子程序用戶接口（界面）的發(fā)展用戶界面的發(fā)展第一代用戶界面為一維界面，主要有命令行界面和編程人員在程序中的系統(tǒng)調(diào)用，如DOS及UNIX均采用此種界面方式。第二代用戶界面為二維界面又稱為圖形界面，以窗口（windows）,圖標(biāo)（icon）、菜單（menu）為典型特征，由APPLE公司開創(chuàng)，以Microsoft公司的MS-Windows為里程碑，在UNIX系統(tǒng)下有X-window。第三代用戶界面為三維界面，又稱為虛擬現(xiàn)實（virtualreality），如三維動畫設(shè)計、可視電話及網(wǎng)絡(luò)視頻會議等。界面管理的任務(wù)從面向最終用戶的“作業(yè)”管理來看，用戶界面已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)的一個重要組成部分，是計算機科學(xué)與心理學(xué)、圖形藝術(shù)和人類學(xué)的交叉研究領(lǐng)域。尋求最佳的人機通信方式已是多媒體、虛擬現(xiàn)實和科學(xué)計算、可視化等技術(shù)所追求的目標(biāo)，也是界面管理的最終任務(wù)。界面管理的功能實現(xiàn)高效的人機通信將人的聽、說、手和眼等協(xié)同動作，采用多通道、以自然的方式交互，可以實現(xiàn)高效的人機通信改善計算機的可用性、可學(xué)性和有效性要求計算機能理解人的要求，甚至能糾正人的錯誤，智能化的界面是一個重要方向支持三維及多媒體技術(shù)需要有語音、圖像和動畫等多媒體支持為廣大用戶提供適應(yīng)不同應(yīng)用的眾多界面構(gòu)造工具及語言現(xiàn)有的GUI的開發(fā)工具有VisualBasic、VisualC++、VisualFoxPro、X-window等用戶界面研究WIMP界面WIMP界面是指窗口（windows）、圖符（icons）、菜單（menu）、指點裝置（pointingdevices）,目前個人計算機流行的用戶界面WYSIWYG技術(shù)WYSIWYG—whatyouseeiswhatyouget即為“所見即所得”多通道多通道—multi-modaluserinterface,MMI，人與機器被看成主動參與者,通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境,人機以自然的交互方式,如語音、手勢、眼神、表情、指點等與系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作工作。人機詢問技術(shù)人機詢問技術(shù)—man-machineinterrogationtechnique,MMIT，人機交互技術(shù)的新發(fā)展，使機器能象人一樣地進(jìn)行“交談”Post-WIMP時代（后WIMP時代）同時操作多個外設(shè)，例如多個傳感器、多個通道、多個人同時使用以至能識別人的雙手及人的形體語言的多模式識別X-windowX-window是1986年由美國MIT的雅典娜工程開發(fā)小組為了提供一個獨立于硬件的用戶圖形界面而開發(fā)成功的，廣為流行的是1988年3月發(fā)行的X11.2版本。尤其與UNIX操作系統(tǒng)結(jié)合，可運行于IBM-PC到各種大中型機以及巨型機上，它又可運行在X終端上。同時它也給程序員提供了工具箱（toolkit）和事件驅(qū)動型編程模型。虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實（virtualreality,VR）是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界進(jìn)行瀏覽和交互考察。實際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)大體可分為：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)增強現(xiàn)實用戶界面的設(shè)計特點計算機不斷適應(yīng)人的需求，以方便用戶為目標(biāo)。用戶界面設(shè)計是計算機科學(xué)與心理學(xué)、圖形藝術(shù)和人類學(xué)的結(jié)合。多窗口系統(tǒng)一般都采用事件驅(qū)動（eventdrive）的控制方式§2、作業(yè)的概念作業(yè)（job）用戶角度我們把一次應(yīng)用業(yè)務(wù)處理過程中，從輸入開始到輸出結(jié)束，用戶要求計算機所做的有關(guān)該次業(yè)務(wù)處理的全部工作稱為一個作業(yè)。系統(tǒng)角度從計算機系統(tǒng)的角度看，作業(yè)是一個比程序更廣的概念，它由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書三部分組成。系統(tǒng)通過作業(yè)說明書控制文件形式的程序和數(shù)據(jù)，使之操作和執(zhí)行。在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)是搶占內(nèi)存的基本單位。也就是說，批處理系統(tǒng)是以作業(yè)為單位把程序和數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存以便執(zhí)行的。作業(yè)步（jobsteps）用戶把要求計算機系統(tǒng)做的一項相對獨立的工作叫做一個作業(yè)步。例如圖中編譯、鏈接、執(zhí)行就是作業(yè)步。作業(yè)由不同的順序相連的作業(yè)步組成，一般來說，每一個作業(yè)步產(chǎn)生下一個作業(yè)步的輸入文件。作業(yè)同步（jobsynchronization）所謂作業(yè)同步是指在一個作業(yè)中，下一個作業(yè)步能否執(zhí)行下去，取決于前一個作業(yè)步是否成功完成。作業(yè)流（jobstream）在系統(tǒng)控制下，將一批作業(yè)依此輸入到后援存儲器中等待運行，這樣就形成了一個作業(yè)流。作業(yè)類型（jobtype）用戶作業(yè)分為兩大類批量型作業(yè)可分為兩種，利用作業(yè)說明書實行自動控制方式的作業(yè)稱為脫機作業(yè)；利用控制臺鍵盤操作命令直接控制的作業(yè)稱為聯(lián)機作業(yè)。終端型作業(yè)又稱為交互型或會話型作業(yè)，通常在分時操作系統(tǒng)環(huán)境下運行，用戶在終端上利用鍵盤命令控制和監(jiān)督作業(yè)的運行，而系統(tǒng)把作業(yè)運行的情況和結(jié)果也及時反饋在用戶終端上。在大型的操作系統(tǒng)中，常把終端用戶作業(yè)稱為“前臺”作業(yè)，把批量型作業(yè)稱為“后臺”作業(yè)。作業(yè)說明書作業(yè)說明書主要包括三方面的內(nèi)容，即作業(yè)的基本描述、作業(yè)控制描述和資源要求，它根據(jù)系統(tǒng)提供的控制命令及相關(guān)參數(shù)并按規(guī)定的語法書寫。作業(yè)基本情況描述

用戶名

作業(yè)名

使用語言名

允許最大處理時間

等等作業(yè)控制描述

控制方式

操作順序

出錯處理

等等作業(yè)資源要求描述

要求處理時間

內(nèi)存空間

外存類型和數(shù)量

處理機優(yōu)先級

庫函數(shù)或?qū)嵱贸绦?/p>

等等作業(yè)管理的任務(wù)方便用戶建立作業(yè)組織調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部資源在完成作業(yè)后歸還資源作業(yè)管理的功能分門別類地組織控制作業(yè)的運行，解決作業(yè)的輸入輸出問題了解和申請機器資源系統(tǒng)工作狀態(tài)的記錄、跟蹤、監(jiān)控及調(diào)試提供用戶或程序員在程序工作模式下的服務(wù)功能§3、作業(yè)的建立作業(yè)的建立過程一個作業(yè)的建立過程一般是作業(yè)的輸入和系統(tǒng)建立起作業(yè)控制塊（JCB—jobcontrolblock）兩個子過程。作業(yè)輸入作業(yè)建立建立JCB作業(yè)管理程序作業(yè)注冊程序作業(yè)輸入方式聯(lián)機輸入方式聯(lián)機輸入方式大多用于交互式系統(tǒng)中，用戶和系統(tǒng)通過交互會話方式輸入作業(yè)。近年來由于多媒體技術(shù)（Multi-Media）的發(fā)展，逐步形成了手寫輸入、語音輸入、光電輸入等輸入方式。脫機輸入方式脫機輸入方式又稱為預(yù)處理方式，脫機輸入方式利用低檔個人計算機進(jìn)行輸入處理。在低檔個人機上，用戶通過聯(lián)機方式把作業(yè)首先輸入到后援存儲器，如磁盤或磁帶上；然后，用戶把裝有輸入數(shù)據(jù)的后援存儲器拿到主機的高速外圍設(shè)備上和主機相連，從而在較短的時間內(nèi)完成作業(yè)的輸入。脫機輸入方式的優(yōu)點是解決了作業(yè)的快進(jìn)快出，相應(yīng)提高了CPU的利用率。但其缺點也是明顯的，主要有：需要人工干預(yù)，出錯率受人的因素影響增加了作業(yè)周轉(zhuǎn)時間不易實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度算法直接藕合方式它用一個大容量的共用存儲器，把多臺用作輸入的低檔機、共用存儲器和主機固定連接起來，保留了脫機輸入方式的優(yōu)點，又克服了該方式需人工干預(yù)的缺點。低檔ＰＣ機低檔ＰＣ機共用存儲器主機假脫機輸入方式假脫機技術(shù)(SPOOLing或SPOOLer)SPOOLing技術(shù)實際上是一種外圍設(shè)備同時聯(lián)機操作技術(shù)（simultaneousperipheraloperationon-line）的縮寫。又稱為排隊轉(zhuǎn)儲技術(shù)。工作原理SPOOLing系統(tǒng)既不同于脫機方式，也不同于直接藕合方式。它在輸入和輸出之間增加了“輸入井”和“輸出井”的排隊轉(zhuǎn)儲環(huán)節(jié)，以消除用戶的“聯(lián)機”等待時間。在系統(tǒng)輸入模塊收到作業(yè)輸入請求信號后，輸入管理模塊中的讀過程負(fù)責(zé)將信息從輸入裝置中讀入輸入井緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)滿時，由寫過程將信息從緩沖區(qū)寫到外存的輸入井中，讀過程和寫過程反復(fù)循環(huán)，直到一個作業(yè)輸入完畢。當(dāng)讀過程讀到一個硬件結(jié)束標(biāo)志之后，系統(tǒng)再次驅(qū)動寫過程把最后一批信息寫入外存輸入井并調(diào)用中斷處理程序結(jié)束該次輸入。然后，系統(tǒng)為該作業(yè)建立作業(yè)控制塊，從而使輸入井中的作業(yè)進(jìn)入作業(yè)等待隊列，等待作業(yè)調(diào)度程序選中后進(jìn)入內(nèi)存運行。系統(tǒng)在管理輸入井過程中可以“不斷”讀入輸入的作業(yè)，直到輸入結(jié)束或輸入井滿而暫停。外存

輸入井輸出井輸入裝置輸入裝置通道通道輸出裝置輸出裝置通道主機系統(tǒng)輸入管理模塊輸出管理模塊SPOOLING系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)輸入方式當(dāng)用戶需要從計算機網(wǎng)絡(luò)中將一臺計算機的信息傳送到聯(lián)網(wǎng)的另一臺主機上進(jìn)行瀏覽（Browser）操作或執(zhí)行下載（Download）等任務(wù)要求時，就構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)輸入方式。主要涉及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)?！?、作業(yè)的管理和調(diào)度作業(yè)的狀態(tài)和處理流程作業(yè)從錄入到輸出在計算機中經(jīng)歷不同的階段，相應(yīng)地處于不同的狀態(tài)。狀態(tài)的變化反映了作業(yè)的處理流程錄入作業(yè)作業(yè)注冊作業(yè)執(zhí)行結(jié)果輸出撤消作業(yè)收容階段執(zhí)行階段完成階段后備狀態(tài)執(zhí)行狀態(tài)完成狀態(tài)收容階段：作業(yè)錄入并被注冊后備狀態(tài)：當(dāng)作業(yè)注冊程序為作業(yè)建立作業(yè)控制塊（JCB）執(zhí)行狀態(tài)：后備作業(yè)經(jīng)作業(yè)調(diào)度被裝入內(nèi)存，獲得資源，占有CPU完成狀態(tài)：作業(yè)的所有處理都結(jié)束作業(yè)撤消：系統(tǒng)回收資源，撤消JCB作業(yè)控制塊作業(yè)控制塊（JCB，JobControlBlock)是系統(tǒng)感知作業(yè)存在的標(biāo)志作業(yè)控制塊的結(jié)構(gòu)作業(yè)在作業(yè)管理中是系統(tǒng)分配資源的基本單位，對收容狀態(tài)的作業(yè)，作業(yè)調(diào)度算法確定何時開始執(zhí)行作業(yè)調(diào)度功能采用作業(yè)控制塊（JCB）表格，記錄系統(tǒng)中各作業(yè)工作狀況；根據(jù)選定的調(diào)度算法，從后備作業(yè)中選出一部分（多道情況）或一個作業(yè)投入運行；為被選中的作業(yè)做好運行前的準(zhǔn)備，包括選擇系統(tǒng)相應(yīng)的“進(jìn)程”執(zhí)行單元以及為這些“進(jìn)程”分配系統(tǒng)資源，首先判斷用戶的資源要求是否能夠滿足；作業(yè)處理后的善后處理工作，例如，回收資源和記帳等工作調(diào)度算法設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)盡量大的吞吐量CPU保持忙I/O保持忙對所有類型的作業(yè)盡量公平設(shè)計調(diào)度算法要考慮的主要因素算法應(yīng)符合系統(tǒng)的總目標(biāo)資源使用均衡，系統(tǒng)效率盡量高保證進(jìn)入系統(tǒng)的作業(yè)在規(guī)定的時間內(nèi)完成常用的作業(yè)調(diào)度算法先來先服務(wù)（firstcomefirstserve,FCFS）作業(yè)執(zhí)行次序與作業(yè)進(jìn)入輸入井次序相同。優(yōu)點實現(xiàn)簡單對相同的或均衡的作業(yè)較為合理缺點不利于運行時間短的作業(yè)。最短作業(yè)優(yōu)先法（shortestjobfist,SJF）最短作業(yè)優(yōu)先法也就是選ti值小的優(yōu)先，也就是只考慮運行時間。優(yōu)點短作業(yè)得到了優(yōu)先執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的效率。缺點當(dāng)作業(yè)不斷進(jìn)入時，長的作業(yè)有可能長時間等待最高響應(yīng)比優(yōu)先法（highestresponse-rationext,HRN）最高響應(yīng)比優(yōu)先法（HRN）是對FCFS方式和SJF方式的一種綜合平衡。HRN調(diào)度策略調(diào)度同時考慮每個作業(yè)的等待時間長短和估計需要的執(zhí)行時間長短，從中選出響應(yīng)比最高的作業(yè)投入執(zhí)行。響應(yīng)比或稱響應(yīng)系數(shù)比R定義下：R=（W+T）/T=1+W/T其中：T為該作業(yè)估計需要的執(zhí)行時間，W為作業(yè)在后備狀態(tài)隊列中的等待時間。優(yōu)點同時具有FCFS算法及SJF算法的優(yōu)點缺點實現(xiàn)復(fù)雜，每次調(diào)度前要對所有作業(yè)掃描一遍，比較以后再調(diào)度。定時輪轉(zhuǎn)法按時間片輪轉(zhuǎn)，可分為短時間的固定時間片（如，UNIX操作系統(tǒng)時間片為幾毫秒至幾十毫秒）和長時間的不固定時間片（如：Windows操作系統(tǒng)的搶占式多任務(wù)方式）。優(yōu)先數(shù)法按優(yōu)先數(shù)排隊次序工作。分靜態(tài)和動態(tài)：靜態(tài)是在排隊前計算優(yōu)先數(shù)，動態(tài)是在調(diào)度時計算優(yōu)先數(shù)。又可分為用戶給定優(yōu)先數(shù)（反映用戶要求）和系統(tǒng)給定的優(yōu)先數(shù)，例如，系統(tǒng)給定前臺和后臺工作的優(yōu)先級，一般前臺優(yōu)先。事件驅(qū)動法MS-Windows采用的任務(wù)驅(qū)動方式，采用不固定的時間片分配來完成多任務(wù)。每當(dāng)發(fā)生一些事件（event）就進(jìn)入相應(yīng)的事件調(diào)度程序。系統(tǒng)通過事件驅(qū)動程序執(zhí)行任務(wù)。各種不同類型作業(yè)搭配調(diào)度算法一個操作系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度往往是綜合性的，作業(yè)調(diào)度的原則主要要考慮的因素有CPU