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(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(diào)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(diào)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(diào)用(System Call)命令組成。 用戶在程序中用這些系統(tǒng)調(diào)用命令請求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，通過系統(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)提供給軟件開發(fā)人員的程序接口，開發(fā)人員可以通過系統(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)請求操作系統(tǒng)服務(wù)的一種手段。1設(shè)備管理：這類系統(tǒng)調(diào)用被用來請求和釋放設(shè)備，以及啟動(dòng)設(shè)備操作等。2文件管理：這類系統(tǒng)調(diào)用包括創(chuàng)建、刪除文件，讀、寫文件操作以及移動(dòng)文件指針等。3進(jìn)程控制：當(dāng)多個(gè)用戶程

3、序在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行時(shí)引出了一個(gè)新的概念，稱為進(jìn)程。4進(jìn)程通信：進(jìn)程間傳遞消息或信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用。5存儲(chǔ)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(diào)用功能分類：管態(tài)（核心態(tài)）：運(yùn)行系統(tǒng)程序的狀態(tài)。目態(tài)（算態(tài)、用戶態(tài)）：運(yùn)行用戶程序的狀態(tài)。 注意：特權(quán)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(diào)用與過程調(diào)用的區(qū)別(1) 運(yùn)行在不同的系統(tǒng)狀態(tài) 一般的過程調(diào)用，其程序和被調(diào)用的過程，都運(yùn)行在同一系統(tǒng)狀態(tài)下，或管態(tài)或目態(tài)。若系統(tǒng)調(diào)用的是用戶程序，運(yùn)行在目態(tài)；若被調(diào)用過程是系統(tǒng)過程，運(yùn)行在管態(tài)。(2) 通過軟中斷進(jìn)入 一般的過程調(diào)用可直接由調(diào)用轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程。而系統(tǒng)調(diào)用由于調(diào)用過程和被

4、調(diào)用過程處于不同的系統(tǒng)狀態(tài)，不允許由調(diào)用過程直接轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程，只能通過軟中斷(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 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(biāo)作為主要的輸入方式，受到了廣大的計(jì)算機(jī)用戶的歡迎，并對計(jì)算機(jī)的普及起到了關(guān)鍵性的作用。圖形接口是命令行接口的發(fā)展。通常認(rèn)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(diào)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(biāo)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(diào)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(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，在對一個(gè)用某高級(jí)語言編制的源程序進(jìn)行調(diào)試處理時(shí)，往往要經(jīng)過編輯、編譯、運(yùn)行等

6、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. 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) (2) 聯(lián)機(jī)作業(yè) 3. 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(yùn)行

7、。根據(jù)作業(yè)性質(zhì)的不同，分為：脫機(jī)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(jìn)行控制；聯(lián)機(jī)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(jìn)行控制。3.2.2 3.2.2 作業(yè)的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 1. 進(jìn)入狀態(tài) 2. 后備狀態(tài)3. 運(yùn)行狀態(tài)4. 終止?fàn)顟B(tài) 當(dāng)操作員將用戶提交的作業(yè)通過某種輸入方式(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)。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(Job Control Block ,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)。作業(yè)調(diào)度

8、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3個(gè)基本狀態(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)1. 1.作業(yè)在輸入設(shè)備或作業(yè)在輸入設(shè)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(gè)作業(yè)可有多個(gè)作業(yè)1. 1.作業(yè)位于輔存，有作業(yè)位于輔存，有資格進(jìn)入主存資格進(jìn)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(jìn)作業(yè)在主存，以進(jìn)程存在程存在2. 2.由進(jìn)程控制是否在由進(jìn)程控制是否在CPUCPU運(yùn)行運(yùn)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(jí)的接口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，它由一組組成。2. 脫機(jī)用戶接口 脫機(jī)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(diào)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(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)來設(shè)計(jì)作業(yè)調(diào)度算

10、法。(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(jī)執(zhí)行時(shí)間的要求、對內(nèi)存空間的要求以及對外部設(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)對計(jì)算型作業(yè)和I/O型作業(yè)予以搭配。運(yùn)行時(shí)間等待時(shí)間運(yùn)行時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間13.3.2 3.3.2 作業(yè)調(diào)度算法1. 先來先服務(wù)(FCFS)調(diào)度算法 這是一種最簡單的作業(yè)調(diào)度算法。

11、先來先服務(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. 3. 響應(yīng)比高者優(yōu)先(HRN)(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)

12、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. 4. 優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先(HPF)(HPF)調(diào)度算法 為了能對緊迫作業(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)對資源要求的多少來確定作業(yè)的優(yōu)先級(jí)，例如，為要求處理機(jī)時(shí)間

13、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)力來決定。對于緊迫作業(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)簡單，系統(tǒng)開銷較小，但低優(yōu)先級(jí)作業(yè)可能會(huì)長期得不到運(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)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(diào)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(qiáng)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(tái)(文本界面) 。1 1脫機(jī)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(jī)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(jī)； （2）批處理； （3）分時(shí)； （4）實(shí)時(shí)。B、C、D：（1）系統(tǒng)調(diào)用；（2）庫函數(shù)；（3）鍵盤命令；（4）作業(yè)控制語言習(xí)題2.若在后備作業(yè)隊(duì)列中等待運(yùn)行的同時(shí)有三個(gè)作業(yè)J1、J2、J3,已知它們各自的運(yùn)行時(shí)間為a、b、c,且滿足關(guān)系abc,試證明采用短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法能獲得最小平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。3.設(shè)有4道作業(yè),它們的提交時(shí)間及執(zhí)行時(shí)間如下:試計(jì)算在單道程序環(huán)境下,采用先來先服務(wù)調(diào)度算法和最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法時(shí)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間和平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間,并指出它們的調(diào)度順

16、序。(時(shí)間單位:小時(shí),以十進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算。4. 假設(shè)有四個(gè)作業(yè),它們的提交、運(yùn)行時(shí)間如下表所示。若采用響應(yīng)比高者優(yōu)先調(diào)度算法,試問平均周轉(zhuǎn)時(shí)間和平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間為多少?(時(shí)間單位:小時(shí),以十進(jìn)制進(jìn)行計(jì)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(diào)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(diào)度 3.4 Linux中的用戶接口與作業(yè)管理 管態(tài)（核心態(tài)）：運(yùn)行系統(tǒng)程序的狀態(tài)。目態(tài)（算態(tài)、用戶態(tài)）：運(yùn)行用戶程序的狀態(tài)。 注意：特權(quán)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(diào)用與過程調(diào)用的區(qū)別(1) 運(yùn)行在不同的系統(tǒng)狀態(tài) 一般的過程調(diào)用，其程序和被調(diào)用的過程，都運(yùn)行在同一系統(tǒng)狀態(tài)下，或管態(tài)或目態(tài)。若系統(tǒng)調(diào)用的是用戶程序，運(yùn)行在目態(tài)；若被調(diào)用過程是系統(tǒng)過程，運(yùn)行在管態(tài)。(2) 通過軟中斷進(jìn)入 一般的過程調(diào)用可直接由調(diào)用轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程。而系統(tǒng)調(diào)用由于調(diào)用過程和被調(diào)用過程處于不同的系統(tǒng)狀態(tài)，不允許由調(diào)用過程直接轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程，只能通過軟中斷(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。3.1.3 3.1.3 操作系統(tǒng)