《作業(yè)管理與OS接口》課件

作業(yè)管理與OS接口by課程大綱1作業(yè)管理作業(yè)的概念、特點(diǎn)、管理目標(biāo)、管理功能。2作業(yè)狀態(tài)及轉(zhuǎn)變作業(yè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換、作業(yè)控制塊、作業(yè)提交方式。3作業(yè)系統(tǒng)類型批處理作業(yè)系統(tǒng)、分時(shí)作業(yè)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)作業(yè)系統(tǒng)。4進(jìn)程管理進(jìn)程的概念、生命周期、進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換。什么是作業(yè)作業(yè)是指用戶向計(jì)算機(jī)提交的一項(xiàng)任務(wù)，它包含了要執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)、以及運(yùn)行所需的資源等信息。例如，編譯一個(gè)程序、運(yùn)行一個(gè)游戲、處理一份文檔，這些都可以看作是作業(yè)。作業(yè)的特點(diǎn)獨(dú)立性每個(gè)作業(yè)都是一個(gè)完整的任務(wù)，彼此獨(dú)立，可以單獨(dú)執(zhí)行。完整性一個(gè)作業(yè)包括了完成該任務(wù)所需的全部資源和步驟?？蓤?zhí)行性每個(gè)作業(yè)都能夠被操作系統(tǒng)執(zhí)行，最終完成相應(yīng)的任務(wù)。作業(yè)管理的目標(biāo)提高CPU利用率最大程度地利用CPU資源，減少空閑時(shí)間。提高系統(tǒng)吞吐量在單位時(shí)間內(nèi)完成更多作業(yè)，提高系統(tǒng)效率。保證公平性為所有用戶提供公平的資源分配，避免資源浪費(fèi)。增強(qiáng)系統(tǒng)安全性防止惡意用戶或程序破壞系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。作業(yè)管理的功能作業(yè)調(diào)度根據(jù)一定的調(diào)度算法，選擇合適的作業(yè)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，以提高系統(tǒng)效率。作業(yè)控制管理作業(yè)的生命周期，包括創(chuàng)建、啟動(dòng)、暫停、終止等操作，確保作業(yè)順利執(zhí)行。作業(yè)監(jiān)控監(jiān)控作業(yè)執(zhí)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并進(jìn)行處理，保證作業(yè)的正確性和穩(wěn)定性。作業(yè)狀態(tài)及轉(zhuǎn)變1提交用戶將作業(yè)提交給系統(tǒng)，等待系統(tǒng)分配資源。2運(yùn)行作業(yè)獲得資源并開始執(zhí)行，進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。3等待作業(yè)可能因資源不足或其他原因暫停執(zhí)行，等待資源釋放或條件滿足。4完成作業(yè)執(zhí)行完畢，輸出結(jié)果并釋放占用的資源，完成任務(wù)。作業(yè)控制塊作業(yè)信息作業(yè)名稱、用戶ID、優(yōu)先級、創(chuàng)建時(shí)間等資源需求內(nèi)存大小、磁盤空間、外設(shè)需求等狀態(tài)信息當(dāng)前狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、等待時(shí)間等作業(yè)提交方式1直接提交用戶直接將作業(yè)文件或數(shù)據(jù)提交到系統(tǒng)，通常用于較小的作業(yè)。2通過控制卡提交用戶使用控制卡，例如JCL（作業(yè)控制語言）腳本，來指定作業(yè)的各種屬性，包括程序名、數(shù)據(jù)文件、運(yùn)行參數(shù)等。3通過圖形界面提交用戶使用友好的圖形界面工具，例如任務(wù)管理器或作業(yè)調(diào)度器，來提交作業(yè)。批處理作業(yè)系統(tǒng)批處理作業(yè)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最古老的作業(yè)管理系統(tǒng)，它將用戶作業(yè)按順序排列成批，并按順序執(zhí)行。批處理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是作業(yè)之間彼此獨(dú)立，作業(yè)在提交后不能與用戶交互，需要等待系統(tǒng)完成整個(gè)批次的作業(yè)才能獲得結(jié)果。分時(shí)作業(yè)系統(tǒng)分時(shí)作業(yè)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，每個(gè)用戶擁有一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，這些進(jìn)程共享系統(tǒng)資源。分時(shí)系統(tǒng)通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，將CPU時(shí)間分配給多個(gè)進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)用戶的交互式操作。實(shí)時(shí)作業(yè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)作業(yè)系統(tǒng)是為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。它需要及時(shí)響應(yīng)來自外部事件或數(shù)據(jù)的請求，并能夠在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)完成操作。例如，工業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備都需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來保證安全性和可靠性。實(shí)時(shí)作業(yè)系統(tǒng)通常具有以下特點(diǎn)：高響應(yīng)速度高可靠性可預(yù)測性高效的資源管理進(jìn)程生命周期創(chuàng)建進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)分配資源，并為進(jìn)程準(zhǔn)備一個(gè)執(zhí)行環(huán)境。就緒進(jìn)程已準(zhǔn)備就緒，等待CPU分配。運(yùn)行進(jìn)程正在CPU上執(zhí)行。阻塞進(jìn)程等待某些事件發(fā)生，例如I/O操作完成。終止進(jìn)程完成執(zhí)行或遇到錯(cuò)誤，釋放資源。進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換1運(yùn)行正在執(zhí)行2就緒等待CPU3阻塞等待事件CPU調(diào)度算法定義CPU調(diào)度算法決定哪個(gè)進(jìn)程獲得CPU，何時(shí)獲得CPU。它管理著進(jìn)程在CPU上的執(zhí)行順序，并影響系統(tǒng)性能。目標(biāo)最大化CPU利用率，縮短作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間，保證交互式系統(tǒng)響應(yīng)速度，滿足不同類型作業(yè)需求。分類常見調(diào)度算法包括先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級調(diào)度、多級反饋隊(duì)列等。先來先服務(wù)簡單易行實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，不需要額外的信息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。公平對所有作業(yè)都一視同仁，不會(huì)偏袒任何作業(yè)。低效可能會(huì)導(dǎo)致短作業(yè)被長作業(yè)阻塞，降低系統(tǒng)效率。短作業(yè)優(yōu)先概念該算法優(yōu)先執(zhí)行運(yùn)行時(shí)間較短的作業(yè)。優(yōu)點(diǎn)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間較短，提高系統(tǒng)吞吐量。缺點(diǎn)長作業(yè)可能長時(shí)間等待，導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)輪流執(zhí)行每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)時(shí)間片，并在時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行。時(shí)間片結(jié)束后，CPU切換到下一個(gè)進(jìn)程。公平性每個(gè)進(jìn)程都能獲得一定的CPU時(shí)間，避免長時(shí)間等待。響應(yīng)時(shí)間由于進(jìn)程輪流執(zhí)行，用戶能更快地得到響應(yīng)，提升用戶體驗(yàn)。優(yōu)先級調(diào)度優(yōu)先級每個(gè)進(jìn)程都分配一個(gè)優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級可以隨著時(shí)間變化，例如長時(shí)間未執(zhí)行的進(jìn)程優(yōu)先級可以降低。公平性需要考慮低優(yōu)先級進(jìn)程的執(zhí)行機(jī)會(huì)，避免饑餓現(xiàn)象。多級反饋隊(duì)列多個(gè)隊(duì)列組成，每個(gè)隊(duì)列有不同的優(yōu)先級。每個(gè)隊(duì)列有不同的時(shí)間片。新作業(yè)進(jìn)入最高優(yōu)先級隊(duì)列。內(nèi)存管理概述內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存資源，為用戶程序提供內(nèi)存空間。它負(fù)責(zé)分配內(nèi)存、回收內(nèi)存以及保護(hù)用戶程序的內(nèi)存空間，避免程序之間互相影響。連續(xù)內(nèi)存分配單一連續(xù)分配將整個(gè)內(nèi)存空間分配給一個(gè)作業(yè)，其他作業(yè)無法使用。固定分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為固定大小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分配給一個(gè)作業(yè)。可變分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為可變大小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分配給一個(gè)作業(yè)。動(dòng)態(tài)分區(qū)分配優(yōu)點(diǎn)內(nèi)存利用率高，不會(huì)造成內(nèi)存浪費(fèi)。靈活，能根據(jù)程序大小分配內(nèi)存。缺點(diǎn)存在外部碎片，內(nèi)存空閑但無法分配。分配和回收內(nèi)存時(shí)間較長，效率低。虛擬內(nèi)存概述虛擬內(nèi)存是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。這通過將程序的內(nèi)存空間劃分成頁或段，并將這些頁或段存儲(chǔ)在磁盤上實(shí)現(xiàn)。頁式虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，實(shí)現(xiàn)地址空間的擴(kuò)展。頁面大小將虛擬地址空間劃分為固定大小的頁面，頁面大小通常為4KB或8KB。頁面表每個(gè)進(jìn)程擁有自己的頁面表，記錄每個(gè)頁面的物理地址。段式虛擬內(nèi)存段式內(nèi)存邏輯地址被分成段號和段內(nèi)偏移量。段號用以標(biāo)識(shí)段，段內(nèi)偏移量標(biāo)識(shí)段內(nèi)的相對地址。段表系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)一個(gè)段表。段表中每個(gè)條目對應(yīng)一個(gè)段，記錄段的起始物理地址和段長等信息。段式內(nèi)存管理在段式內(nèi)存管理中，每個(gè)進(jìn)程的邏輯地址空間被劃分為多個(gè)段，每個(gè)段可以有不一樣的長度。頁面置換算法先進(jìn)先出(FIFO)最簡單的頁面置換算法，選擇在內(nèi)存中駐留時(shí)間最長的頁面進(jìn)行替換。最近最少使用(LRU)選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行替換，更能反映頁面使用頻率。時(shí)鐘算法結(jié)合了FIFO和LRU算法，使用一個(gè)環(huán)形隊(duì)列記錄頁面使用情況。先進(jìn)先出1FIFO最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面最先被淘汰。2簡單易實(shí)現(xiàn)但可能導(dǎo)致頻繁頁面置換，降低系統(tǒng)效率。3不考慮頁面訪問頻率對經(jīng)常訪問的頁面也可能被淘汰。最近最少使用算法原理該算法選擇最近最少使用的頁面作為淘汰頁面。維護(hù)一個(gè)頁面使用時(shí)間列表，每次訪問頁面時(shí)，更新其使用時(shí)間，并將其移至列表首位，淘汰列表尾部的頁面。優(yōu)點(diǎn)通常情況下，最近最少使用的頁面更有可能再次被使用，因