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(xué)習(xí)目標(biāo):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(zhuǎn)換。掌握作業(yè)調(diào)度的原則。掌握常見(jiàn)的作業(yè)調(diào)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(diào)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(yùn)行的應(yīng)用程序服務(wù)并與之通信的設(shè)施。程序接口由一組系統(tǒng)調(diào)用(SystemCall)命令組成，用戶在程序中用這些系統(tǒng)調(diào)用命令請(qǐng)求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的通信。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給軟件開(kāi)發(fā)人員的程序接口，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用使用系統(tǒng)功能。所謂系統(tǒng)調(diào)用，是指用戶在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)提供的一些子功能，是用戶在程序級(jí)請(qǐng)求操作系統(tǒng)服務(wù)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(quán)。系統(tǒng)程序運(yùn)行的狀態(tài)稱為管態(tài)，用戶程序運(yùn)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(quán)指令。常見(jiàn)的特權(quán)指令有：傳達(dá)程序狀態(tài)字指令啟動(dòng)、測(cè)試和控制外設(shè)的指令存取特殊寄存器的指令2、系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是為了增強(qiáng)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(diào)用相當(dāng)于執(zhí)行一條功能很強(qiáng)的機(jī)器指令。系統(tǒng)調(diào)用是在用戶程序中利用系統(tǒng)調(diào)用命令調(diào)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(diào)用與過(guò)程調(diào)用的區(qū)別(1)運(yùn)行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)一般的過(guò)程調(diào)用，其程序和被調(diào)用的過(guò)程，都運(yùn)行在同一系統(tǒng)狀態(tài)下，或管態(tài)或目態(tài)。(2)通過(guò)軟中斷進(jìn)入一般的過(guò)程調(diào)用可直接由調(diào)用轉(zhuǎn)向被調(diào)用過(guò)程。而系統(tǒng)調(diào)用由于調(diào)用過(guò)程和被調(diào)用過(guò)程處于不同的系統(tǒng)狀態(tài)，不允許由調(diào)用過(guò)程直接轉(zhuǎn)向被調(diào)用過(guò)程，只能通過(guò)軟中斷(trap)機(jī)制，先進(jìn)入操作系統(tǒng)內(nèi)核，經(jīng)內(nèi)核處理后，才能轉(zhuǎn)向相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用處理程序。3.1.2命令接口

通常認(rèn)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(quán)限管理通行命令資源要求命令個(gè)人工具2、圖形用戶接口圖形用戶接口（GUI）是通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)屏幕上的對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)擊，以控制和操縱程序的運(yùn)行或管理計(jì)算機(jī)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(jī)命令接口

（2）脫機(jī)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(diào)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(biāo)作為主要的輸入方式，受到廣大計(jì)算機(jī)用戶的歡迎，并對(duì)計(jì)算機(jī)的普及起到了關(guān)鍵性的作用。第三階段。提供立體空間操作環(huán)境和語(yǔ)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(biāo)去觸摸、去感受。未來(lái)操作系統(tǒng)向智能化、傻瓜化發(fā)展，用戶要求計(jì)算機(jī)做什么，計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換3.2.3作業(yè)控制級(jí)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(wù)

作業(yè)是指用戶提交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工的一個(gè)任務(wù)，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(gè)作業(yè)又可分為若干個(gè)順序處理的作業(yè)步。例如，在對(duì)一個(gè)用某高級(jí)語(yǔ)言編制的源程序進(jìn)行調(diào)試處理時(shí)，往往要經(jīng)過(guò)編輯、編譯、運(yùn)行等幾個(gè)作業(yè)步。其中的每一個(gè)作業(yè)步又可進(jìn)一步細(xì)分為若干個(gè)作業(yè)步任務(wù)。2.作業(yè)的類型從調(diào)度的角度分類：(1)計(jì)算型作業(yè)。(2)I/O型作業(yè)從控制的角度分類：(1)脫機(jī)作業(yè)（批量型作業(yè)）(2)聯(lián)機(jī)作業(yè)（終端型作業(yè)）3.作業(yè)管理的功能(1)作業(yè)調(diào)度由作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法，從處于后備狀態(tài)的作業(yè)隊(duì)列中，選出一個(gè)或一批作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，為之分配處理機(jī)之外的所有其他的所需資源。然后為之創(chuàng)建進(jìn)程，并插入進(jìn)程就緒隊(duì)列中，使它們成為具有獲得處理機(jī)資格的候選進(jìn)程。

只有批處理系統(tǒng)才必須具有作業(yè)調(diào)度。(2)作業(yè)控制這是指用戶通過(guò)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(yùn)行。根據(jù)作業(yè)性質(zhì)的不同，又可把作業(yè)控制分為脫機(jī)作業(yè)控制和聯(lián)機(jī)作業(yè)控制兩種。

脫機(jī)作業(yè)控制是指操作系統(tǒng)利用作業(yè)說(shuō)明書，對(duì)用戶提交的批量型作業(yè)進(jìn)行控制；而聯(lián)機(jī)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(duì)自己的作業(yè)進(jìn)行控制。3.2.2作業(yè)的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換

1.進(jìn)入狀態(tài)當(dāng)操作員將用戶提交的作業(yè)通過(guò)某種輸入方式(如脫機(jī)I/O或SPOOLing方式)，將作業(yè)輸入到外存上時(shí)，稱此階段的作業(yè)處于進(jìn)入狀態(tài)。2.后備狀態(tài)當(dāng)作業(yè)所需全部信息已輸入到外存，由作業(yè)建立程序?yàn)橹⒘俗鳂I(yè)控制塊(JobControlBlock,JCB)，并插入到后備作業(yè)隊(duì)列中等待調(diào)度運(yùn)行為止。把作業(yè)在后備隊(duì)列上等待調(diào)度的狀態(tài)稱為后備狀態(tài)。3.運(yùn)行狀態(tài)作業(yè)調(diào)度程序從處于后備狀態(tài)的作業(yè)隊(duì)列中選中一個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為之建立相應(yīng)的進(jìn)程后，由于此時(shí)的作業(yè)已具有獨(dú)立運(yùn)行的資格，如果處理機(jī)空閑，便可立即開(kāi)始執(zhí)行，故稱此時(shí)的作業(yè)是進(jìn)入了運(yùn)行狀態(tài)。作業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)又可進(jìn)一步分為就緒、執(zhí)行和阻塞三個(gè)基本狀態(tài)。4.終止?fàn)顟B(tài)當(dāng)作業(yè)(進(jìn)程)的運(yùn)行正常完成或異常結(jié)束時(shí)，進(jìn)程便自我終止，或被迫終止，此時(shí)作業(yè)便進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。圖3.1作業(yè)的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3.2.3作業(yè)控制級(jí)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(guò)該接口向作業(yè)發(fā)出命令以控制作業(yè)的運(yùn)行。1.聯(lián)機(jī)用戶接口聯(lián)機(jī)用戶接口是為聯(lián)機(jī)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(jī)用戶接口脫機(jī)用戶接口由一組作業(yè)控制語(yǔ)言(JCL)組成。事先寫在作業(yè)說(shuō)明書，然后將作業(yè)連同作業(yè)說(shuō)明書一起提供給系統(tǒng)。3.3作業(yè)調(diào)度3.3.1作業(yè)調(diào)度應(yīng)考慮的因素3.3.2作業(yè)調(diào)度算法3.3.1作業(yè)調(diào)度應(yīng)考慮的因素何為作業(yè)調(diào)度？作業(yè)調(diào)度應(yīng)考慮的因素：(1)系統(tǒng)的目標(biāo)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)作業(yè)調(diào)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(jí)保證緊迫作業(yè)能獲得及時(shí)處理的重要方法，是在作業(yè)調(diào)度算法中引入優(yōu)先級(jí)機(jī)制，為緊迫作業(yè)賦予高優(yōu)先級(jí)。(3)作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間衡量一個(gè)作業(yè)調(diào)度算法的重要指標(biāo)，是作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間和平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間。(4)作業(yè)對(duì)資源的要求作業(yè)對(duì)資源的要求包括對(duì)處理機(jī)執(zhí)行時(shí)間的要求、對(duì)內(nèi)存空間的要求以及對(duì)外部設(shè)備的要求等。(5)系統(tǒng)資源的均衡使用為了能同時(shí)提高處理機(jī)和各種外部設(shè)備的利用率，作業(yè)調(diào)度程序在選擇作業(yè)投入運(yùn)行時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)算型作業(yè)和I/O型作業(yè)予以搭配。3.3.2作業(yè)調(diào)度算法1.先來(lái)先服務(wù)(FCFS)調(diào)度算法這是一種最簡(jiǎn)單的作業(yè)調(diào)度算法。先來(lái)先服務(wù)算法是在作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)后，由作業(yè)建立程序按作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)的先后次序，將作業(yè)插入后備隊(duì)列。2.最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)調(diào)度算法作業(yè)的長(zhǎng)短是指作業(yè)運(yùn)行時(shí)間的估計(jì)值。最短作業(yè)優(yōu)先算法的依據(jù)是作業(yè)的長(zhǎng)短，是從后備隊(duì)列中選擇其估計(jì)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行。3.響應(yīng)比高者優(yōu)先(HRN)調(diào)度算法響應(yīng)比=(作業(yè)等待時(shí)間+作業(yè)要求的運(yùn)行時(shí)間)/作業(yè)要求的運(yùn)行時(shí)間由上式可以看出：隨著作業(yè)等待時(shí)間的增加，其響應(yīng)比也增加，故作業(yè)在等待了足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，總會(huì)成為響應(yīng)比最高者，從而可被調(diào)度程序選中而投入運(yùn)行；在等待時(shí)間相同(但不為0)的情況下，最短作業(yè)將被優(yōu)先調(diào)度運(yùn)行；當(dāng)作業(yè)要求運(yùn)行的時(shí)間相同時(shí)，先到達(dá)的作業(yè)將先被調(diào)度運(yùn)行。4.優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先(HPF)調(diào)度算法為了能對(duì)緊迫作業(yè)進(jìn)行及時(shí)處理，目前廣泛采用優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先調(diào)度算法。該算法是從后備隊(duì)列中選擇優(yōu)先級(jí)高者投入運(yùn)行。在采用該算法時(shí)要解決兩個(gè)問(wèn)題：第一，如何確定作業(yè)的優(yōu)先級(jí)；第二，作業(yè)的優(yōu)先級(jí)一經(jīng)確定之后，在作業(yè)的整個(gè)運(yùn)行期間是否保持不變。作業(yè)優(yōu)先級(jí)的確定方法(1)作業(yè)優(yōu)先級(jí)由系統(tǒng)確定通常其出發(fā)點(diǎn)是為了提高系統(tǒng)吞吐量，或使多個(gè)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(jí)。此外，系統(tǒng)也可根據(jù)作業(yè)對(duì)資源要求的多少來(lái)確定作業(yè)的優(yōu)先級(jí)，例如，為要求處理機(jī)時(shí)間短的作業(yè)賦予高優(yōu)先級(jí)。(2)作業(yè)優(yōu)先級(jí)由用戶指定在由用戶指定作業(yè)的優(yōu)先級(jí)時(shí)，主要是根據(jù)作業(yè)的緊迫程度和用戶的經(jīng)濟(jì)實(shí)力來(lái)決定。對(duì)于緊迫作業(yè)賦予其高優(yōu)先級(jí)，非緊迫作業(yè)賦予低優(yōu)先級(jí)。作業(yè)優(yōu)先級(jí)的分類(1)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)是指作業(yè)的優(yōu)先級(jí)一經(jīng)確定后便不再改變。這種優(yōu)先級(jí)方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)開(kāi)銷較小，但低優(yōu)先級(jí)作業(yè)可能會(huì)長(zhǎng)期得不到運(yùn)行機(jī)會(huì)。(2)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)是指作業(yè)的優(yōu)先級(jí)在運(yùn)行期間要改變。改變優(yōu)先級(jí)有兩種常用方法：一種方法是隨著作業(yè)等待時(shí)間的增加，其優(yōu)先級(jí)也隨之提高；另一種方法是在作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中，其優(yōu)先級(jí)隨著剩余運(yùn)行時(shí)間的減少而提高。前一方法可防止低優(yōu)先級(jí)作業(yè)