操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理

1、第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理與作業(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。第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作

2、業(yè)管理 3.1.1 3.1.1 程序接口 程序接口(Program Interface)： 由一組系統(tǒng)調用(System Call)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設備管理：這類系統(tǒng)調用被用來請求和釋放設備，以及啟動設備操作等。2文件管理：這類系統(tǒng)調用包括創(chuàng)建、刪除文件，讀、寫文件操作以及移動文件指針等。3進程控制：當多個用戶程

3、序在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行時引出了一個新的概念，稱為進程。4進程通信：進程間傳遞消息或信號的系統(tǒng)調用。5存儲管理：內(nèi)存塊的申請、釋放，獲取作業(yè)占用內(nèi)存塊的首址、大小等。系統(tǒng)調用功能分類：管態(tài)（核心態(tài)）：運行系統(tǒng)程序的狀態(tài)。目態(tài)（算態(tài)、用戶態(tài)）：運行用戶程序的狀態(tài)。 注意：特權指令只能在管態(tài)下執(zhí)行，而不能在目態(tài)下執(zhí)行。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)。若系統(tǒng)調用的是用戶程序，運行在目態(tài)；若被調用過程是系統(tǒng)過程，運行在管態(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

4、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(nèi)核，經(jīng)內(nèi)核處理后，才能轉向相應的系統(tǒng)調用處理程序。3.1.2 3.1.2 命令接口命令接口分為傳統(tǒng)的命令行接口和現(xiàn)代的圖形接口。 圖形接口以圖形和菜單作為主要顯示界面的圖形接口，用鼠標作為主要的輸入方式，受到了廣大的計算機用戶的歡迎，并對計算機的普及起到了關鍵性的作用。圖形接口是命令行接口的發(fā)展。通常認為操作系統(tǒng)提供了兩類用戶接口，如下圖。 3.1.3 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

5、維界面的環(huán)境。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。 第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 3.2.1 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

6、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. 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) (2) 聯(lián)機作業(yè) 3. 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(nèi)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

7、。根據(jù)作業(yè)性質的不同，分為：脫機作業(yè)控制：指操作系統(tǒng)利用，對用戶提交的批量型作業(yè)進行控制；聯(lián)機作業(yè)控制：指用戶利用操作系統(tǒng)提供的一組，對自己的作業(yè)進行控制。3.2.2 3.2.2 作業(yè)的狀態(tài)及其轉換 1. 進入狀態(tài) 2. 后備狀態(tài)3. 運行狀態(tài)4. 終止狀態(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)。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(Job Control Block ,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)。作業(yè)調度

8、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(nèi)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3個基本狀態(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)1. 1.作業(yè)在輸入設備或作業(yè)在輸入設備或輔存中輔存中2. 2.未產(chǎn)生完整的作業(yè)未產(chǎn)生完整的作業(yè)描述信息描述信息3. 3.可有多個作業(yè)可有多個作業(yè)1. 1.作業(yè)位于輔存，有作業(yè)位于輔存，有資格進入主存資格進入主存2. 2.有完整的作業(yè)描述有完整的作業(yè)描述信息信息1. 1.

9、作業(yè)在主存，以進作業(yè)在主存，以進程存在程存在2. 2.由進程控制是否在由進程控制是否在CPUCPU運行運行3. 3.主存中作業(yè)數(shù)為執(zhí)主存中作業(yè)數(shù)為執(zhí)行態(tài)作業(yè)數(shù)行態(tài)作業(yè)數(shù)1233.2.3 3.2.3 作業(yè)控制級的接口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，它由一組組成。2. 脫機用戶接口 脫機用戶接口由一組(JCL)組成。第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 3.3.1 3.3.1 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

10、法。(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)的和。(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(nèi)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。運行時間等待時間運行時間周轉時間帶權周轉時間13.3.2 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。

11、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. 3. 響應比高者優(yōu)先(HRN)(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)

12、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. 4. 優(yōu)先級高者優(yōu)先(HPF)(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

13、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)長期等待,后一種方法

14、可促使作業(yè)盡快完成。第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 3.4 Linux3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 Linux提供的用戶接口有圖形界面和終端兩種。圖形界面在使用上基本和windows無異，有GNOME、 KDE、Enligntenment、Fvwm、Fvwm2、Afterstep、Icewm、Qvwm、Blackbox等；終端功能夠十分強大，所謂的命令就是在終端里執(zhí)行的，包括圖形界面下的虛擬終端和真正的終端控制臺(文本界面) 。1 1脫機用戶接口

15、是配置在 A 操作系統(tǒng)中的，它是由一組 B 所組成，聯(lián)機用戶接口是由一組 C 所組成，而程序接口則是由一組 D 所組成。A：（1）微機； （2）批處理； （3）分時； （4）實時。B、C、D：（1）系統(tǒng)調用；（2）庫函數(shù)；（3）鍵盤命令；（4）作業(yè)控制語言習題2.若在后備作業(yè)隊列中等待運行的同時有三個作業(yè)J1、J2、J3,已知它們各自的運行時間為a、b、c,且滿足關系abc,試證明采用短作業(yè)優(yōu)先調度算法能獲得最小平均周轉時間。3.設有4道作業(yè),它們的提交時間及執(zhí)行時間如下:試計算在單道程序環(huán)境下,采用先來先服務調度算法和最短作業(yè)優(yōu)先調度算法時的平均周轉時間和平均帶權周轉時間,并指出它們的調度順

16、序。(時間單位:小時,以十進制進行計算。4. 假設有四個作業(yè),它們的提交、運行時間如下表所示。若采用響應比高者優(yōu)先調度算法,試問平均周轉時間和平均帶權周轉時間為多少?(時間單位:小時,以十進制進行計算。)第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 第第3 3章章 操作系統(tǒng)用戶接口與作業(yè)管理操作系統(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 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 管態(tài)（核心態(tài)）：運行系統(tǒng)程序的狀態(tài)。目態(tài)（算態(tài)、用戶態(tài)）：運行用戶程序的狀態(tài)。 注意：特權指令只能在管態(tài)下執(zhí)行，而不能在目態(tài)下執(zhí)行。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)。若系統(tǒng)調用的是用戶程序，運行在目態(tài)；若被調用過程是系統(tǒng)過程，運行在管態(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(nèi)核，經(jīng)內(nèi)核處理后，才能轉向相應的系統(tǒng)調用處理程序。3.1.3 3.1.3 操作系統(tǒng)