操作系统基本原理

操作系统的主要功能是进行处理机与进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。

1.处理机与进程管理

处理机是计算机系统的核心资源。操作系统的功能之一就是处理机管理。随着计算机的迅速发展，处理机管理显得更为重要，这主要由于：

计算机的速度越来越快，处理机的充分利用有利于系统效率的大大提高；

处理机管理是整个操作系统的重心所在，其管理的好坏直接影响到整个系统的运行效率；

操作系统中并发活动的管理和控制是在处理机管理下实现的，集中了操作系统中最复杂的部分，它设计的好坏关系到整个系统的成败。

进程（process）是处理机管理中最基本、最重要的概念。进程是系统并发执行的体现。

由于在多道程序系统中，众多的计算机用户都以各种各样的任务，随时随地争夺使用处理机。为了动态地看待操作系统，以进程作为独立

运行的基本单位，以进程作为分配资源的基本单位，从进程的观点来研究操作系统。因此，处理机管理也被称为进程管理。处理机管理的功能

是组织和协调用户对处理机的争夺使用，把处理机分配给进程，对进程进行管理和控制，以最大限度发挥处理机的作用。

1.1 进程的概念

用静态的观点，操作系统是一组程序和表格的集合。用动态的观点看，操作系统是进程的动态和并发执行的。而进程的概念实际上是程序这一概念发展

的产物。因此，可以从分析程序的基本特征入手，引出“进程”的概念。

顺序程序是指程序中若干操作必须按照某种先后次序来执行，并且每次操作前和操作后的数据、状态之间都有一定的关系。在早期的程序设计中，程序一般都是顺序

地执行的。

在多道程序系统中，程序的运行环境发生了很大的变化。主要体现在：

（1）资源共享。为了提高资源的利用率，计算机系统中的资源不再由一道程序专用，而是由多道程序公用。

（2）程序的并发执行或并行执行。逻辑上讲：允许多道不同用户的程序并行运行；

允许一个用户程序内部完成不同操作的程序段之间并行运行；

允许操作系统内部不同程序之间并行运行。

物理上讲：内部存储器中保存多个程序，I/O设备被多个程序交替地共享使用；

多处理机系统的情形下，表现为多个程序在各自的处理机上运行，执行时间是重迭的。单处理机系统时，程序的执行表现为多道程序交替地在处理机上相互穿插

运行。

实际上，在多道程序系统中，程序的并行执行和资源共享之间是相辅相成的。一方面，只有允许程序并行执行，才可能存在资源共享的问题；

另一方面，只有有效实现资源的共享，才可能使得程序并行执行。

这样，可以增强计算机系统的处理能力和提高机器的利用率。并发操作实际上是这样的事实：

大多数程序段只要求操作在时间上是有序的，也就是有些操作必须在其他操作之前。

这是有序的，但其中有些操作 却可以同时进行。

1.2进程的定义与分类

由于多道程序系统环境下并行程序执行的特征：

并发性、动态性、开放性和相互制约，这样，使用程序的概念就不能如实地反映程序活动的这些特征，必须引入新的概念——进程。

操作系统内的最本质的特征是动态性和并发性，而进程正反映了动态性和并发性等特征。

程序的并发性执行特征：

（1）并发性。即并发程序的若干程序段同时在系统中运行，这些程序段的执行在时间上是重迭的，一个程序段的执行尚未结束，

而另一个程序段的执行已经开始，即使这种重迭是很小的一部分，也称这几个程序段是并发执行的。

（2）动态性。指程序与其执行活动不再一一对应。并发程序中的并发活动是动态产生、动态消亡的。例如，几道并发执行的c语言程序

共享C编译系统，在这种情况下，一个编译程序能同时为多道程序服务，每个程序调用一次就是执行一次，即这个编译程序对应多个执行

活动。

（3）开放性。指系统中并发执行的程序共享使用的资源，程序的执行与外部因素（如执行速度）相关，不再具有封闭性。

（4）相互制约性。指程序的动态活动相互依赖、相互制约。其制约关系可分为间接制约关系和直接制约关系两种：

间接制约关系是指相互无逻辑关系的用户程序之间竞争使用资源所发生的制约关系；

直接制约关系是指存在逻辑关系的程序之间相互等待而发生的制约关系。通过程序活动的这种相互制约关系，才能保证程序的正确运行。

系统中同时存在许多进程，他们依性质不同可分为几种不同的类别：

（1）系统进程和用户进程。一般来讲，在管态下执行的进程称为系统进程；

在目态下执行的进程称为用户进程。系统进程起着资源管理和控制的作用；

用户进程是为用户任务而建立的进程。

（2）父进程和子进程。系统或用户首先创建的进程称为父进程；

在父进程下面的进程称为子进程。父子进程间存在着某些控制结构和控制关系，因此可以定义一个进程图。进程图是一颗有向的、包含

一个根节点的树。

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