c++ 资源管理技术

4.1.2 操作系统的发展过程
四个阶段：
1. 2. 3. 4.
手工操作阶段 成批处理系统 执行程序系统 多道程序系统
成批技术、 脱机技术 硬件上引进 了通道和中 断（假脱机）
内存中同时存放 多道程序，相互独 立，共享资源
发展经历三个变化
从人工操作 到 机器自动处理 人工操作缓慢 机器按照程序自动完成任务转换 从联机I/O 到 脱机I/O I/O设备、CPU串行工作， CPU 花大量时间等待设备 输入输出在外围机控制下进行 从单道程序处理 到 多道程序同时处理
程序C 必须是可重入程序
(3) 程序并发执行可以互相制约
规定I1到I3的代码不可重入
程序顺序执行与并发执行比较
顺序执行 并发执行
程序顺序执行 程序具有封闭 性 独享资源 具有可再现性 间断执行，多个程序各自 在“走走停停”中进行 程序失去封闭性 ,有直接 和简接的相互制约 共享资源 失去可再现性
并发程序的特点：
可以看出，并发程序与 顺序程序具有本质区别，并 发程序具有并发性和共享性。 为了说明多道程序并发 执行时的动态特性，引入一 个新的概念：进程。
4.2.2 进程
1. 进程的基本概念
进程是指一个具有一定独立 功能的程序关于某个数据集合的 一次运行活动。 进程是可以并发执行的程序 的执行过程，它是控制程序管理 下的基本的多道程序单位。
操作系统的功能和任务：
从资源管理的角度，操作系统 的功能和任务主要有以下五个方面： 1. 处理机管理 对所有作业进行 合理组织、唯一 有效的管理各种 主要任务：充分 对有限的内存合 2. 存储器管理 分类，按照某种 标识计算机中的 外部设备，充分 发挥处理机的作 理分配，以满足 规则源源不断的 3. 设备管理 每组信息，使用 发挥其效率；为 用，提高它的使 多个用户程序运 选取作业交给计 户能方便、安全 用户提高简单易 4. 文件管理 用效率。 行的需要 算机处理 用的设备接口 的使用它们 5. 作业管理
进程的三种基本状态在一定条件下 可以互相转化
(1) 处 于 就 绪 状 态 的 进 程 ， 一 旦 分 配 到 CPU，就转为运行状态。 (2) 处于运行状态的进程，当需要等待某 个事件发生才能继续运行时，则转为等 待状态；或者由于分配给它的时间片用 完，就让出CPU而转为就绪状态。 (3) 处于等待状态的进程，如果它等待的 事件已经发生，即条件得到满足，就转 为就绪状态。 刚创建的进程可以处于三种状态中 的任何一种，但进程只能在运行状态下 结束。

操作系统的主要作用
(1) 管理系统资源。包括对CPU、内存储 器、输入输出设备、数据文件和其他软件 资源的管理。 (2) 为用户提供资源共享的条件和环境， 并对资源的使用进行合理调度。 (3) 提供输入/输出的方便环境，简化用 户的输入输出工作，提供良好的用户界面。 (4) 规定用户的接口，发现、处理或报告 计算机操作过程中所发生的各种错误。
协调进程A、B之间的关系
(2) 进程的同步
进程之间为了合作 完成一个任务，而需要互 相等待和互相交换信息的 相互制约关系称为同步。
死锁的发生是与进程 的相对运行速度有关的， 而进程的相对运行速度又 是不可预测的，因此，死 锁是一种与时间有关的问 题，并且是不可再现的。
假设系统中共有10台磁带机，由A，B，C三个进 程所共享现假定A，B，C已分别占用了2台，3台和2 台磁带机，它们的最大需求量分别为4台，6台和8台。 并且还假定每个进程只有满足了最大需求量后才可 能释放其所有的资源。 在图示情况下，如果C又申请了3台，则磁带机 全部分配完。如果某个进程再提出申请，则发生死 锁。
3. 进程控制块及其组织
(1) 进程控制块（PCB）是由系统为每
个进程建立，用以记录对应进程的程 序和数据的存储行状态信息 ⑤调度优先数 ⑦系统栈 ⑨资源占有信息 ②特征信息 ④通信信息 ⑥现场信息 ⑧进程映象信息 ⑩族关系
进程外部名称， 一目了然
作业 成批进入 高速 输入井
输出井
其它
单道批处理系统
作业 成批进入
多道并发执行
输出井
输入井
其它
多道批处理系统

多道批处理对资源利用率的提高： 提高CPU的利用率 提高内存利用率 提高I/O设备的利用率
2. 分时操作系统
为了使程序运行时可以有人机交 互，用户可以及时得到响应，又出现 了分时系统。 在分时系统中，多个用户分享使 用同一台计算机（主机），即在一台 计算机上联接若干台终端，每个用户 可以独占一台终端。
死锁的四个必要条件： (1) 资源的独占使用。 (2) 资源的非抢占分配。 (3) 资源的部分分配。 (4) 对资源的循环等待。
死锁的预防、避免、检测和消除 资源的静态预分配：预防死锁 资源顺序分配法：预防循环等待 银行家算法：通过计算决定是否 分配资源，避免死锁 死锁发生时，及时地检测到它， 并让系统从死锁状态中解脱出来

4. 通用操作系统
根据实际需要，往往要将以上 这些系统的功能组合起来使用，从 而形成了通用操作系统。 例如：以成批处理系统完成后 台作业，以分时处理系统或实时系 统完成前台作业，即能充分发挥系 统资源的作用，又能具有一定的实 时性和交互性。
4.2 多道程序设计
4.2.1 并发程序设计 4.2.2 进程 4.2.3 进程之间的通信
实时系统的提出： 分时系统的响应往往要等待 一个循环周期。 实时系统必须在规定的时间 内对用户请求或外部事件及 时响应
实时系统分为两类：
实时过程控制系统 实时信息处理系统

实时系统特点：
多路性： 多路信息采集，多对象控制 独立性： 信息采集和对象控制是相互独立的 及时性： 有较严格的时间限制，响应时间短 交互性： 主要与管理员进行简单的交互 可靠性： 多级容错
进程A分配打印机的过程为： ①逐项检查分配标志，找出分配标志为0的 台号； ②把该台分配标志置1； ③把用户名和设备号填入分配表中相应的位 置。 进程B释放打印机的过程为： ①逐项检查分配表的各项信息，找出分配标 志为1，并且用户名和设备号与被释放的用 户名和设备号相同的打印机台号； ②该台分配标志置0； ③清除该台打印机的用户名和设备号。 如果进程B的②、③之间被进程A打断，则会 出现问题。

分时系统实现：

t
作业 1 2 3 1 2 3

将时间片划分很小，从一个较长 时间看，每一个用户都似乎独享 主机
分时系统的特点：

同时性

同时连接多台终端

独立性

终端间互不影响
第一个 分时操 作系统 就是 UNIX操 作系统。

及时性

在人们能接受的时间内响应 方便的人机对话

交互性

3. 实时操作系统 所谓实时，是指对 随机发生的外部事件作 出及时的响应并对其进 行处理。
分时操作系统
所谓分时，是指若干个并发程序 对CPU的分时，其中每个程序对CPU的 时间分享单位称为时间片。 例如，设时间片长度为100毫秒， 现有10个用户，则操作系统对每个用 户的平均响应时间为10×100毫秒＝1 秒。也就是说，每个用户依次轮流使 用100毫秒的时间片。

分时系统的提出：

人机交互，及时响应，共享主机 按时间片轮转作业 时间片：作业使用CPU的时间 时间片中断处理
外 围 机
输入井 高速
低速
3）从单道程序处理 到 多道程序同时处理
3 2 1
演示
9 6 3
4.1.3 操作系统的分类
按照操作系统为用户提供的 使用环境和访问方式，可以将操 作系统分为：
多道批处理操作系统 分时操作系统 实时操作系统

1. 多道批处理操作系统
“多道”是指在计算机内存中同时存 入多个用户作业，“同时”进行处理。 “批处理”是指这样一种操作方式： 在外存中存入大量的后备作业，作业 的运行完全由系统控制，用户与其作 业之间没有交互作用，用户不能直接 控制其作业的运行，通常称这种方式 为批操作。
4.2.1 顺序程序与并发程序
顺序程序具有以下特点： (1) 顺序性：处理机的操作严格按照程序 所规定的顺序执行，每个动作都必须在上 个动作执行完成后开始。 (2) 封闭性：程序运行时独占全机资源， 程序一旦开始执行，其执行结果不受外界 因素影响。 (3) 可再现性：只要程序执行时的环境和 初始条件相同，都将获得相同的结果。程 序结果与运行速度无关。(不论是从头到尾 不停顿地执行，还是“停停走走”)
操作系统的定义
操作系统是计算机系统中 直接控制和管理 ④手段 各种软硬件资源， ②对象 以方便用户 充分而有效地利用这些资源 ③目标 的程序的集合 ①实体
操作系统是：紧靠硬件的第一层软件
操作系统的性质
是最基本、最核心的系统 软件， 是直接与硬件相邻的第一 层软件，它对硬件功能进 行首次扩充， 是其他软件运行的基础。
“进程”与“程序”的区别与联 系
(1) 进程是程序在处理机 上的一次执行过程，它是 动态的概念。而程序只是 一组指令的有序集合，其 本身没有任何运行的含义， 它是一个静态的概念。
“进程”与“程序”的区别与联 系
(2) 进程是程序的执行过程， 是一次运行活动。因此，进程 具有一定的生命期，它能够动 态地产生和消亡。而程序是可 以作为一种软件资源长期保存 的，它的存在是永久的。
顺序程序与并发程序
并发程序的执行情况比顺序程 序要复杂的多，程序设计时要考虑 更多的因素。 (1)并发程序没有可再现性 (2)并发程序没有封闭性 (3)程序并发执行可以互相制约
(1)不可再现性: 程序在并发执行时, 由于失去了封闭性,导致不可再现性
(2) 并发程序与其执行过程不是 一一对应的关系

4.2.3 进程之间的通信