计算机操作系统课程论文

计算机科学与技术系

课程总结

专业名称网络工程

课程名称计算机操作系统

项目名称操作系统与其进程和线程

班级 12级网络工程2班

学号 1204032007

姓名白丽丽

同组人员

日期 2014年11月4日

操作系统与其进程和线程

白丽丽（1204032007）

一、概述

操作系统（Operating System，OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。其主要作用是管理好这些设备，提高他们的利用率和系统吞吐量，并为用户和应用程序提供一份简单的借口，便于用户使用。OS是现代计算机系统中最基本和最重要的系统软件，而其他的诸如编译程序、数据库管理系统等系统软件，以及大量的应用软件，都依赖于操作系统的支持，取得它所提供的服务。事实上OS已成为现代计算机系统、多处理机系统、计算机网络中都必须配置的系统软件。

操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。

操作系统是一管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统身负诸如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源;控制程序运行;改善人机界面;为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能:进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。但所有的操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四个基本特征。目前的操作系统种类繁多，很难用单一标准统一分类。根据应用领域来划分，可分为桌面操作系统、服务器操作系统、主机操作系统、嵌入式操作系统。

而进程和线程作为操作系统的两个主模块，在操作系统中起着不可或缺的作用。进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位.

线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能

独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源.

一个线程可以创建和撤销另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行.

相对进程而言，线程是一个更加接近于执行体的概念，它可以与同进程中的其他线程共享数据，但拥有自己的栈空间，拥有独立的执行序列。

在串行程序基础上引入线程和进程是为了提高程序的并发度，从而提高程序运行效率和响应时间。

随着微型计算机的越来越兴盛，对进程的资源掌控，已经不再适用于微型计算机的资源分配模式，线程的出现也就成为了必然。所以说线程是为了提高操作系统的执行效率而引入的，它是进程的一段程序的基本调度单位。进程具有动态性、并发性等特点。线程可以合理的分配进程从CPU占用的资源，并与其他线程共享。每个程序最少有一个进程，每个进程最少有一个线程。

二、发展现状

操作系统之本意原为提供简单的工作排序能力，后为辅助更新更复杂的硬件设施而渐渐演化。

从最早的批次模式开始，分时机制也随之出现，在多处理器时代来临时，操作系统也随之添加多处理器协调功能，甚至是分布式系统的协调功能。其他方面的演变也类似于此。

另一方面，在个人电脑上，个人电脑之操作系统因袭大型电脑的成长之路，在硬件越来越复杂、强大时，也逐步实践以往只有大型电脑才有的功能。

1、手工操作阶段。在这个阶段的计算机,主要元器件是电子管,运算速度慢,没有任何软件,更没有操作系统。用户直接使用机器语言编写程序,上机时完全手工操作,首先将预先准备好的程序纸带装入输入机,然后启动输入机把程序和数据送入计算机,接着通过开关启动程序运行,计算完成后,打印机输出结果。用户必须是非常专业的技术人员才能实现对计算机的控制。

2、批处理阶段。由于20世纪50年代中期,计算机的主要元器件由晶体管取代,运行速度有了很大的提高,这时软件也开始迅速发展,出现了早期的操作系统,这

就是早期的对用户提交的程序进行管理的监控程序和批处理软件。

3、多道程序系统阶段。随着中、小规模的集成电路在计算机系统中的广泛应用,CPU的运动速度大大提高,为了提高CPU的利用率,引入了多道程序设计技术,并出现了专门支持多道程序的硬件机构,这一时期,为了进一步提高CPU的利用效率,出现了多道批处理系统、分时系统等等,从而产生了更加强大的监管程序,并迅速发展成为计算机科学中的一个重要分支,就是操作系统。统称为传统操作系统。

4、现代操作系统阶段。大规模、超大规模集成电路急速的迅速发展,出现了微处理器,使得计算机的体系结构更加优化,计算机的运行速度进一步提高,而体积却大大减少,面向个人的计算机和便携式计算机出现并普及。它的最大优点是结构清晰、功能全面、可以适应多种用途的需要并且操作使用方面。

三、内容

进程

1、进程的引入

多道程序在执行时，需要共享系统资源，从而导致各程序在执行过程中出现相互制约的关系，程序的执行表现出间断性的特征。这些特征都是在程序的执行过程中发生的，是动态的过程，而传统的程序本身是一组指令的集合，是一个静态的概念，无法描述程序在内存中的执行情况，即我们无法从程序的字面上看出它何时执行，何时停顿，也无法看出它与其它执行程序的关系，因此，程序这个静态概念已不能如实反映程序并发执行过程的特征。为了深刻描述程序动态执行过程的性质，人们引入“进程（Process）”概念。

2、什么是进程

进程的概念主要有两点：第一，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

进程是操作系统中最基本、重要的概念。是多道程序系统出现后，为了刻画系统内部出现的动态情况，描述系统内部各道程序的活动规律引进的一个概念,所有多道程序设计操作系统都建立在进程的基础上。

3、进程的特征

1）、动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。

2）、并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行

独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；

3）、异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

线程

1、线程的引入

如果多个进程间使用很多相同数据的话，对资源来说是种浪费。所以线程出现了，同一个进程下可以拥有多个线程，它们共享这个进程的资源，它们之间切换也不再需要PCB，而只需要极少的一点资源就可以了。在这样的操作系统里，线程变成了系统调度和分派的基本单位。

在操作系统中再引入线程，是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。

2、什么是线程

线程通常描述为轻权进程或轻量级进程（light weight process）。

线程是进程内的一个执行单元，是进程内的一个可调度实体，是进程中相对独立的一个控制流序列。线程分为用户级线程和系统级线程（核心级线程）。

3、线程的特征

1）、轻型实体。线程除了运行中必不可少的资源（如线程控制块、用户栈、核

心栈、静态局部变量）外，基本上不拥有系统资源。

2）、独立调度单位。线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度单位。为此，因此线程中必须包含调度所必需的信息。

3）、可并发执行。同一个进程中的多个线程，不同进程中得多个线程均可并发执行。

4）、共享进程资源。同一个进程中的各线程共享该进程所拥有的全部资源，如进程的地址空间、以打开的文件、定时器和信号量机构等。

进程与线程

1、进程与线程的联系

进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位.

线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源. 一个线程可以创建和撤销另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行.

2、进程与线程的区别

1）、调度。传统操作中，拥有资源的基本单位和独立调度的基本单位都是进程。引入线程的基本操作系统中，线程作为CPU调度的基本单位，真正在处理机上运行的是线程，进程仍作为拥有资源的基本单位。同一进程中的线程切换不会引起进程切换；但一个进程中得线程切换到另外一个进程中的线程时，仍将会引起进程切换。

2）、并发性。引入线程的操作中，一个进程可有多个线程，并且线程只能在该进程的地址空间内活动。进程之间的并发执行，操作系统具有更好得并发性。 3）、拥有资源。不论是传统的操作系统，还是设有线程的操作系统，进程都是拥有资源的一个独立单位。一般来说，线程自己不拥有系统资源（只有一些必不可少的资源），它们共享所在进程的所有资源。

4）、系统开始。在创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等。因此，操作系统为此付出发的开销将对创建或撤销线程是的

开销。

5）、通信。由于同一进程的线程共享该进程的所有资源，所以不须任何措施就能实现数据共享。而进程通信则相当复杂，必须借助诸如通信机制、消息缓冲、管道机制等措施。

从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

基本上，进程代表一个正在执行的应用程序，而线程则是进程内部任何一段可执行的程序代码。

由于运算速度，现代的计算机已经能够很轻易地以多任务形式执行应用程序。例如：可以在一台计算机上使用Word等文档编辑器进行文字的编辑操作，同时启用Internet Explorer浏览器浏览网页。此时，你的计算机上正同时进行着俩个应用程序的执行工作，，这俩个应用程序Word和Internet Explorer分别是一个独立的进程，互不干扰，而能够同时并行执行。

四、个人学习总结

在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程和实用性。通过这一学期的学习，我才知道操作系统(Operating System，简称OS)是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。

经过一个学期的学习，我也知道了计算机操作系统是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它实现了对计算机硬件操作的多层次的抽象。操作系统的一些原理在生活中也有所应用，以下是我通过这一学期的学习，把操作系统的一些原理联系生活所得的心得体会：

1.生产—消费者问题

在实际的操作系统操作过程中，经常会碰到如下场景：某个模块负责产生数据，这些数据由另一个模块来负责处理（此处的模块是广义的，可以是类、函数、线

程、进程等）。产生数据的模块，就形象地称为生产者；而处理数据的模块，就称为消费者。

单单抽象出生产者和消费者，还够不上是生产者—消费者问题。该问题还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间，作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区取出数据。

为了理解这一问题，我们举一个寄信的例子。假设你要寄一封平信，大致过程如下：

1）、你把信写好——相当于生产者制造数据

2）、你把信放入邮筒——相当于生产者把数据放入缓冲区

3）、邮递员把信从邮筒取出——相当于消费者把数据取出缓冲区

4）、邮递员把信拿去邮局做相应的处理——相当于消费者处理数据

2、银行家算法——避免死锁

死锁的产生是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。由于资源占用是互斥的，当某个进程提出申请资源后，使得有关进程在无外力协助下，永远分配不到必需的资源而无法继续运行，这就产生了一种特殊现象死锁。我觉得操作系统所讲的死锁就好像两个人竟过独木桥，两辆车竟过单行桥等阻塞现象，原因是共享资源，即道路。

为提高系统资源的利用率，避免死锁并不严格限制死锁必要条件的存在，而是在资源的动态分配过程中，使用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免死锁的最终出现。然而，最有代表性的避免死锁的算法，是Dijkstra的银行家算法。在该方法中把系统的状态分为安全状态和不安全状态，只要能使系统始终都处于安全状态，便可以避免发生死锁。银行家算法的基本思想是分配资源之前，判断系统是否是安全的；若是安全的，才分配。

我们可以把操作系统看作是银行家，操作系统管理的资源相当于银行家管理的资金，进程向操作系统请求分配资源相当于用户向银行家贷款。为保证资金的安全,银行家规定：

（1）当一个顾客对资金的最大需求量不超过银行家现有的资金时就可接纳该顾

客；

（2）顾客可以分期贷款,但贷款的总数不能超过最大需求量；

（3）当银行家现有的资金不能满足顾客尚需的贷款数额时，对顾客的贷款可推迟支付，但总能使顾客在有限的时间里得到贷款；

（4）当顾客得到所需的全部资金后，一定能在有限的时间里归还所有的资金。另外，我们也可以把操作系统看作是建造房子，操作系统的资源看作是造房子的起吊机台数，进程向操作系统请求分配资源相当于建造房子时申请的起吊机台数。为保证工程的顺利进行，其操作过程如下：

1）、当一栋房子对起吊机的最大需求量不超过建造房子现有的起吊机时可接纳该房子的建造；

2）、所要建造的房子可以分开几次申请起吊机，但申请的起吊机的总数不能超过最大需求量；

3）、当现有的起吊机台数不能满足某栋房子尚需的起吊机时，对该栋房子所需的起吊机数可推迟给予，但总能是房子在有限的时间里得到贷款；

4）、当建造的房子得到所需的全部起吊机后，一定能在有限的时间里归还所有的起吊机数。

进程同步问题

一个进程到达了确定的点后，除非另一些进程已经完成了某些操作，否则不得不停下来等待另一进程为它提供的消息，早未获得消息前，该进程处于等待状态，获得消息后被唤醒处于就绪状态，这就是进程同步。我们在生活中也可以找到相应的例子。例如汽车司机和售票员，汽车司机负责开车、进站、开车门、关车门与进站；

售票员负责售票、进出站后观察车门，给司机发开关门信息；正常状态下，各自活动，司机开车，售票员售票；在进出站时双方要进行进程同步。

总而言之，操作系统的一些原理在生活中都可以找到相应的例子。结合生活中的例子，可以化抽象为具体，我们会更加清楚地了解到其原理与操作过程。我觉得通过我们的不断学习，结合生活中的实际问题，我们就会把操作系统学得更好。

五、参考资料：

1、《实用操作系统教程》李建伟、刘金河编著清华大学出版社

2、《操作系统原理》邹鹏、王广芳等编著国防科技大学出版社

3、《计算机操作系统原理》汤小丹、梁红兵、哲凤屏、汤子瀛编著西安电子科技大学出版社

4、《C++程序设计》谭浩强等编著清华大学出版社

5、《实用软件工程(第二版)》郑人杰等编著清华大学出版社

6、https://www.360docs.net/doc/895811396.html,

7、《数据结构与算法》王昆仑等编著中国铁道出版社

8、《数据结构》严蔚敏编著清华大学出版社