清华大学操作系统课件_向勇老师的讲义
合集下载
清华大学任勇老师信号与系统课件
清华大学
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
第四章：信号的谱表示
§4.1 L1 [t0 ,tα ] 上的傅里叶变换（《信号与系统》第二版（郑君里）3.1，3.2）
{ } ∫ L1 [t0,tα ] =
f (t ) | tα t0
f (t ) dt < ∞ ，是[t0,tα ] 上绝对可积函数的全体。
∞
∑ = FnGn*T
n=−∞
{ } { } = T
F G , ∞ n n=−∞
∞ n n=−∞
能量定理：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，有
（4-19）
∫ ( ) ∑ f t0+T t0
t
2
∞
dt = T
Fn 2
n=−∞
（4-20）
均方收敛性（依范数收敛，强收敛）：
定理（均方收敛）：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，则
f
(t)
=
f
⎛ ⎜⎝
t
±
T 2
⎞ ⎟⎠
（4-18）
f (t ) 的傅里叶级数只含有偶次正余弦分量（偶次谐波）。
Parseval 定理（内积不变性）：
定理（Parseval）：对 ∀f (t ) , g (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ] ，则
∫ f (t ) , g (t ) = t0+T f (t ) g* (t )dt t0
∫ ( ) 证明：
Fn
=
1 T
f t0 +T
t0
t
e-jnωtdt ，
6
清华大学
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
第四章：信号的谱表示
§4.1 L1 [t0 ,tα ] 上的傅里叶变换（《信号与系统》第二版（郑君里）3.1，3.2）
{ } ∫ L1 [t0,tα ] =
f (t ) | tα t0
f (t ) dt < ∞ ，是[t0,tα ] 上绝对可积函数的全体。
∞
∑ = FnGn*T
n=−∞
{ } { } = T
F G , ∞ n n=−∞
∞ n n=−∞
能量定理：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，有
（4-19）
∫ ( ) ∑ f t0+T t0
t
2
∞
dt = T
Fn 2
n=−∞
（4-20）
均方收敛性（依范数收敛，强收敛）：
定理（均方收敛）：对 ∀f (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ]，则
f
(t)
=
f
⎛ ⎜⎝
t
±
T 2
⎞ ⎟⎠
（4-18）
f (t ) 的傅里叶级数只含有偶次正余弦分量（偶次谐波）。
Parseval 定理（内积不变性）：
定理（Parseval）：对 ∀f (t ) , g (t ) ∈ L2 [t0,t0 + T ] ，则
∫ f (t ) , g (t ) = t0+T f (t ) g* (t )dt t0
∫ ( ) 证明：
Fn
=
1 T
f t0 +T
t0
t
e-jnωtdt ，
6
清华大学
信号与系统答疑 QQ 群：85092397
整理版清华操纵工程基础ppt课件
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
控制工程基础
（第十一章）
9/30/2020
清华大学
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
在matlab中，用num=[b1,b2,…,bm,bm1]和 den=[a1,a2,…,an,an1] 分别表示分子和分母多项式系数，然后利 用下面的语句就可以表示这个系统
在matlab下，矩阵A和矩阵B的乘积（假定
其中A，B矩阵是可乘的）可以简单地由运
算C=A*B求出
» C=A*B
C=
203
1
0
2
4
1
5
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
Matlab下提供了两种文件格式： m文件， matlab函数
• M文件是普通的ascii码构成的文件，在 这样的文件中只有由matlab语言所支持 的语句，类似于dos下的批处理文件，它 的执行方式很简单，用户只需在matlab 的提示符>>下键入该m文件的文件名，这 样matlab就会自动执行该m文件中的各条 语句。它采用文本方式，编程效率高， 可读性很强。
控制工程基础
（第十一章）
9/30/2020
清华大学
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
在matlab中，用num=[b1,b2,…,bm,bm1]和 den=[a1,a2,…,an,an1] 分别表示分子和分母多项式系数，然后利 用下面的语句就可以表示这个系统
在matlab下，矩阵A和矩阵B的乘积（假定
其中A，B矩阵是可乘的）可以简单地由运
算C=A*B求出
» C=A*B
C=
203
1
0
2
4
1
5
9/30/2020
控制工程基础
装备一个 铸造车 间，需 要熔炼 设备、 造型及 制芯设 备、砂 处理设 备、铸 件清洗 设备以 及各种 运输机 械，通 风除尘 设备等 。只有 设备配 套，才 能形成 生产能 力。
Matlab下提供了两种文件格式： m文件， matlab函数
• M文件是普通的ascii码构成的文件，在 这样的文件中只有由matlab语言所支持 的语句，类似于dos下的批处理文件，它 的执行方式很简单，用户只需在matlab 的提示符>>下键入该m文件的文件名，这 样matlab就会自动执行该m文件中的各条 语句。它采用文本方式，编程效率高， 可读性很强。
2024版《操作系统原理导论》课件[1]
![2024版《操作系统原理导论》课件[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/51fd6b7bb80d6c85ec3a87c24028915f814d8466.png)
《操作系统原理导论》课件•操作系统概述•进程管理目录•内存管理•文件系统•设备管理•操作系统安全01操作系统概述存储器管理负责内存的分配、回收、保护和扩充等，提供内存抽象和虚拟内存机制。
处理机管理分配和控制处理机资源，包括进程控制、进程同步、进程通信和死锁处理等。
定义操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。
设备管理提供设备驱动程序接口，实现设备的分配、控制和缓冲等。
文件管理实现文件的创建、删除、读写和保护等操作，提供文件抽象和文件系统接口。
监控程序、批处理系统（单道和多道）等，主要目的是提高资源利用率和作业吞吐量。
早期操作系统允许多个用户同时与计算机交互，每个用户都感觉自己独占了计算机资源。
分时系统对外部输入作出快速响应，广泛应用于工业控制、军事等领域。
实时系统随着计算机网络的发展，出现了网络操作系统和分布式操作系统，实现了资源共享和协同工作。
网络操作系统和分布式操作系统分类根据运行环境和提供服务的方式，操作系统可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。
允许多个程序同时执行，提高资源利用率。
实现资源共享，包括处理器、内存、设备和文件等。
通过技术手段将物理实体变为逻辑上的对应物，提供虚拟处理器、虚拟内存和虚拟设备等。
由于资源有限和程序并发执行，操作系统的运行具有异步性。
并发性虚拟性异步性共享性02进程管理进程的概念与状态进程的定义进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性和异步性等基本特征。
进程的状态进程在其生命周期内会经历多种状态，如新建态、就绪态、运行态、阻塞态和终止态等。
这些状态之间的转换由操作系统根据进程的执行情况和资源需求进行管理。
进程控制块PCBPCB的定义进程控制块（Process Control Block，PCB）是操作系统中用于描述进程状态和特性的数据结构，它是进程存在的唯一标识。
操作系统功能ppt课件
14
设备管理的功能
（二）设备分配 设备分配的基本任务，是根据用户的I/O请求，为之分配其所需的设备。
如果在I/O设备和CPU之间还存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去 的设备分配相应的控制器和通道。
在进行设备分配时，应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。 对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统 是否安全。设备用完后，还应立即加以回收。
13设备管理的功能一缓冲管理缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区如字符缓冲区和字符块缓冲区以缓和cpu和io速度不匹配的矛盾最终达到提高cpu和io设备利用率进而提高系统吞吐量的目的
操作系统功能
主要功能简要介绍
1
总述
• 在多道程序环境下，系统通常无法同时满足所有作业的资源要求，为使 多道程序能有条不紊地运行，操作系统应具有这样几方面的功能，以实现对 资源的管理：处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理 功能和作业管理功能。此外，为了方便用户使用操作系统，还须向用户提供 一个使用方便的用户接口。
15
设备管理的功能
（三）设备处理
设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务通常是实现CPU和设备控制器之间的通 信。即由CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作；并能接收由设备控制 器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。
处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性、了解设备的状态是否空闲、了解 有关传递参数以及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备去 完成指定的I/O操作。最后是及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型， 调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统，设备处理程序还应能根 据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。
设备管理的功能
（二）设备分配 设备分配的基本任务，是根据用户的I/O请求，为之分配其所需的设备。
如果在I/O设备和CPU之间还存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去 的设备分配相应的控制器和通道。
在进行设备分配时，应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。 对于独占设备（临界资源）的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统 是否安全。设备用完后，还应立即加以回收。
13设备管理的功能一缓冲管理缓冲管理的基本任务是管理好各种类型的缓冲区如字符缓冲区和字符块缓冲区以缓和cpu和io速度不匹配的矛盾最终达到提高cpu和io设备利用率进而提高系统吞吐量的目的
操作系统功能
主要功能简要介绍
1
总述
• 在多道程序环境下，系统通常无法同时满足所有作业的资源要求，为使 多道程序能有条不紊地运行，操作系统应具有这样几方面的功能，以实现对 资源的管理：处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理 功能和作业管理功能。此外，为了方便用户使用操作系统，还须向用户提供 一个使用方便的用户接口。
15
设备管理的功能
（三）设备处理
设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务通常是实现CPU和设备控制器之间的通 信。即由CPU向设备控制器发出I/O指令，要求它完成指定的I/O操作；并能接收由设备控制 器发来的中断请求，给予及时的响应和相应的处理。
处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性、了解设备的状态是否空闲、了解 有关传递参数以及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备去 完成指定的I/O操作。最后是及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型， 调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统，设备处理程序还应能根 据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。
2024年操作系统课件2-(特殊条款版)
操作系统课件2-(特殊条款版)操作系统课件2一、引言操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户提供高效、稳定、安全的运行环境。
本课件将重点介绍操作系统的基本概念、功能、类型以及进程管理等内容。
二、操作系统的基本概念1.操作系统的定义操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一种系统软件，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户提供便捷、高效、稳定的运行环境。
2.操作系统的功能操作系统的功能主要包括资源管理、进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户接口等。
3.操作系统的类型根据操作系统的特点和应用场景，可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。
三、进程管理1.进程的概念进程是操作系统中执行程序的基本单位，它包括程序代码、数据和进程控制块（PCB）。
2.进程的状态进程的状态分为运行、就绪、阻塞和结束等四种。
3.进程控制进程控制主要包括进程的创建、终止、阻塞、唤醒、切换等操作。
4.进程同步与互斥进程同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，以保证数据的一致性和正确性。
进程互斥是指多个进程在同一时刻只能有一个进程访问共享资源。
5.进程通信进程通信是指多个进程之间交换数据和消息。
进程通信的方式有共享内存、消息传递和管道等。
四、内存管理1.内存分配内存分配是指操作系统为进程分配内存空间的过程。
内存分配的方式有固定分区、可变分区和页式管理等。
2.内存回收内存回收是指操作系统将已分配给进程的内存空间回收的过程。
内存回收的方式有立即回收和延迟回收等。
3.内存扩充内存扩充是指通过虚拟内存技术，将磁盘空间作为内存使用，以扩大内存容量。
4.内存保护内存保护是指操作系统对内存空间进行权限管理，防止进程非法访问其他进程的内存空间。
五、文件管理1.文件的概念文件是存储在辅助存储设备上的数据集合，它具有名称、类型、属性和内容等。
操作系.ppt
……
[ X]段 （已经连接）
…
…
Y
200
…
…
200 12456
段名-段号对照表
段名
段号
MAIN 0
A
1
W
2
X
3
…
…
连接后
§4.1.4存储管理的机制和策略
在多道环境下，存储管理不但要为进程提供内存资 源，还要为内存的使用提供安全保障机制，如防止 进程非法访问不属于自已的空间。
为了提高内存资源的利用率，存储管理还要提供共 享机制，也就是当若干个进程调用同一段代码或数 据时，系统应为共享的代码或数据保留一个副本而 不是多个。
【存储管理的功能】
1.内存的分配与回收
每一个进程运行时都需要内存资源， 因此内 存空间的分配和回收是存储管理的基本功能。在 进程创建时按照一定的存储策略为其分配内存空 间，进程运行结束时，再将其所占用的内存空间 收回。
为了记录内存的使用情况，存储管理会依据存 储策略采用相应的数据结构，标识哪些区域尚未 分配，哪些区域已经分配以及分配给哪些进程等。 每一个进程运行时都需要内存资源， 因此内存 空间的分配和回收是存储管理的基本功能。系统 通过所采用的数据结构来管理内存空间。
(2)静态地址重定位
静态地址重定位是在程序执行之前由操作系统的重定位装入程 序完成的。在装入一个作业时，把作业中的指令地址全部转 换为绝对地址（地址转换工作是在作业执行前集中一次完成 的）在作业执行过程中就无须再进行地址转换工作。
静态地址重定位示例
静态地址重定位的优点
相对地址
是容易实现，无需硬件
支持，它只要求程序本 0
离散
段页式 虚拟页式
虚存 虚拟段式
清华大学操作系统讲义第04讲_经典IPC问题
10
第二，把信号量视为是某种类型的共享资源的剩 余个数，其目的是为了实现对这种类型的共享资 源的访问，如各种I/O设备。信号量的取值具有实 际的意义，就等于空闲资源的个数。多个进程可 以同时使用这种类型的资源，直到所有空闲资源 均已用完。其特征是信号量的初始值为N(N1)， 然后在一个进程内部对它进行配对的P、V操作。
28
思路(2) 计算机程序怎么来解决这个问题？
指导原则：不能浪费CPU时间；进程间相互通信。 S1 思考中… S2 进入饥饿状态； S3 如果左邻居或右邻居正在进餐，进入阻塞状态； 否则转S4 S4 拿起两把叉子； S5 吃面条… S6 放下左边的叉子，看看左邻居现在能否进餐 （饥饿状态、两把叉子都在），若能则唤醒之； S7 放下右边的叉子，看看右邻居现在能否进餐， 若能，唤醒之； S8 新的一天又开始了，转S1
操作系统与系统编程
第四讲
谌 卫 军
清华大学软件学院 2004年春季
1
基于信号量的进程同步
【例子2】共享缓冲区的合作进程的同步
设有一个缓冲区buffer，大小为一个字节。Compute 进程不断产生字符，送buffer，Print进程从buffer中 取出字符打印。如不加控制，会出现多种打印结果， 这取决于这两个进程运行的相对速度。在这众多的 打印结果中，只有Compute和Print进程的运行刚好 匹配的一种是正确的，其它均为错误。 Compute buffer
6
流程图1：
get t0 t1 copy t2 put t3 get t4 copy t5 put t6
流程图2：
规则4 规则5
规则1
p
p
p
c
g
规则2
c
g
第二，把信号量视为是某种类型的共享资源的剩 余个数，其目的是为了实现对这种类型的共享资 源的访问，如各种I/O设备。信号量的取值具有实 际的意义，就等于空闲资源的个数。多个进程可 以同时使用这种类型的资源，直到所有空闲资源 均已用完。其特征是信号量的初始值为N(N1)， 然后在一个进程内部对它进行配对的P、V操作。
28
思路(2) 计算机程序怎么来解决这个问题？
指导原则：不能浪费CPU时间；进程间相互通信。 S1 思考中… S2 进入饥饿状态； S3 如果左邻居或右邻居正在进餐，进入阻塞状态； 否则转S4 S4 拿起两把叉子； S5 吃面条… S6 放下左边的叉子，看看左邻居现在能否进餐 （饥饿状态、两把叉子都在），若能则唤醒之； S7 放下右边的叉子，看看右邻居现在能否进餐， 若能，唤醒之； S8 新的一天又开始了，转S1
操作系统与系统编程
第四讲
谌 卫 军
清华大学软件学院 2004年春季
1
基于信号量的进程同步
【例子2】共享缓冲区的合作进程的同步
设有一个缓冲区buffer，大小为一个字节。Compute 进程不断产生字符，送buffer，Print进程从buffer中 取出字符打印。如不加控制，会出现多种打印结果， 这取决于这两个进程运行的相对速度。在这众多的 打印结果中，只有Compute和Print进程的运行刚好 匹配的一种是正确的，其它均为错误。 Compute buffer
6
流程图1：
get t0 t1 copy t2 put t3 get t4 copy t5 put t6
流程图2：
规则4 规则5
规则1
p
p
p
c
g
规则2
c
g
清华大学操作系统课件_向勇老师的讲义
第二章 作业管理和用户接口
在这一章中，我们讨论OS向上提供的用户接口，即系 统命令接口和系统调用接口。系统命令接口可完成用 户作业的组织和控制。
2.1 作业组织和控制 2.2 UNIX的作业管理 2.3 系统调用 2.4 图形用户接口
1
2.1 作业组织和控制
2.1.1 作业和作业处理过程 2.1.2 作业调度 2.1.3 作业控制语言
• 命令简化：利用参数替换可简化命令输入，通 配符(?, *)用于匹配一组文件名
– 如：UNIX的cp命令：当前目录上有两个"1.tar"和 "2.tar"时，"cp *.tar /tmp"等同于"cp 1.tar /tmp; cp 2.tar /tmp"
15
2. 环境变量
环境变量(environment variable)－－应用进程地址空间中的特殊 变量区。
21
3. 基本特征
• 内部命令：如cd, exec――区分大小写，exec的 功能是执行一个命令； • 外部命令：如/bin/ls, /bin/mkdir • 命令行选项通常是：-option
– 如："ls -a -l"中的-a表示列出所有文件，-l表示列出 所有信息。
• 通配符：由shell处理后再传递给外部命令。
– 如：cat *.c 则argv[1]="a.c", argv[2]="b.c"，而 cat "*.c" 则argv[1]="*.c"(cat的功能是读入所有文件，并 显示)
22
4. 输入输出重定向
基于内核的缓冲区
• "<"为标准输入重定向； • ">"和">>"为标准输出重定向； • "2>"和"2>>"为标准错误输出重定向（2表示标 准错误输出的设备号，只对sh有意义）； • " >&"是标准输出和标准错误输出重定向； 行输入重定向：用定界符间的内容作为标准输入。 如：下面命令的标准输入为cat命令的输入。 cat << WARNING ... 23 WARNING
在这一章中，我们讨论OS向上提供的用户接口，即系 统命令接口和系统调用接口。系统命令接口可完成用 户作业的组织和控制。
2.1 作业组织和控制 2.2 UNIX的作业管理 2.3 系统调用 2.4 图形用户接口
1
2.1 作业组织和控制
2.1.1 作业和作业处理过程 2.1.2 作业调度 2.1.3 作业控制语言
• 命令简化：利用参数替换可简化命令输入，通 配符(?, *)用于匹配一组文件名
– 如：UNIX的cp命令：当前目录上有两个"1.tar"和 "2.tar"时，"cp *.tar /tmp"等同于"cp 1.tar /tmp; cp 2.tar /tmp"
15
2. 环境变量
环境变量(environment variable)－－应用进程地址空间中的特殊 变量区。
21
3. 基本特征
• 内部命令：如cd, exec――区分大小写，exec的 功能是执行一个命令； • 外部命令：如/bin/ls, /bin/mkdir • 命令行选项通常是：-option
– 如："ls -a -l"中的-a表示列出所有文件，-l表示列出 所有信息。
• 通配符：由shell处理后再传递给外部命令。
– 如：cat *.c 则argv[1]="a.c", argv[2]="b.c"，而 cat "*.c" 则argv[1]="*.c"(cat的功能是读入所有文件，并 显示)
22
4. 输入输出重定向
基于内核的缓冲区
• "<"为标准输入重定向； • ">"和">>"为标准输出重定向； • "2>"和"2>>"为标准错误输出重定向（2表示标 准错误输出的设备号，只对sh有意义）； • " >&"是标准输出和标准错误输出重定向； 行输入重定向：用定界符间的内容作为标准输入。 如：下面命令的标准输入为cat命令的输入。 cat << WARNING ... 23 WARNING
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
– R(i)W(j)=; – W(i)R(j)=; – W(i)W(j)=;
前两条保证一个程序的两次读之间数据不变化；最 后一条保证写的结果不丢掉。
现在的问题是这个条件不好检查。
4.1.2 进程的定义和描述
1. 进程的定义
一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合 上的一次动态执行过程。
4. 处理机调度器（dispatcher）
处理机调度器是操作系统中的一段代码， 它完成如下功能：
• 把处理机从一个进程切换到另 一个进程； • 防止某进程独占处理机；
5. 进程控制块 (PCB, process control block)
进程控制块是由OS维护的用来记录进程相关 信息的一块内存。
Event 1 Occurs Event 1 Queue Event 2 Occurs Event 2 Queue
Event 1 Wait
Event 2 Wait
五状态进程模型(多队列结构)
1. 状态
• 运行状态(Running)：占用处理机资源；处于此状态的 进程的数目小于等于CPU的数目。
– 在没有其他进程可以执行时（如所有进程都在阻塞状态）， 通常会自动执行系统的空闲进程（相当于空操作）。
四个进程在并发地运行
3. 进程与程序的区别
• 进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码 的集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计 算机之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和 可以复制。 • 进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态 变化的过程，程序可长久保存。 • 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、 数据和进程控制块（即进程状态信息）。 • 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程 序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可 包括多个程序。
4.1.3 进程的状态转换
4.1.3.1 两状态进程模型 4.1.3.2 五状态进程模型 4.1.3.3 挂起进程模型
4.1.3.1 两状态进程模型
Dispatch
Enter
Not-Running
Running
Exit
Pause (a)状态变迁图 Queue Enter Dispatch Processor Exit
• 它对应虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟外设等 资源的分配和回收； • 引入多进程，提高了对硬件资源的利用率，但 又带来额外的空间和时间开销，增加了OS 的 复杂性；
进程与程序的关系类比
有一个计算机科学家，想亲手给女儿做一个生日蛋糕。所以他就 找了一本有关做蛋糕的食谱，买了一些原料，面粉、鸡蛋、糖、 香料等，然后边看边学边做。
注：对于五状态进程模型，一个重要的问题是当一个 事件出现时如何检查阻塞进程表中的进程状态。当进 程多时，对系统性能影响很大。一种可能的作法是按 等待事件类型，排成多个队列。
4.1.3.3 挂起进程模型
• 这个问题的出现是由于进程优先级的引入，一 些低优先级进程可能等待较长时间，从而被对 换至外存。这样做的目的是：
Pause (b)队列结构
1. 状态
• 运行状态(Running)：占用处理机资源； • 暂停状态(Not-Running)：等待进程调度 分配处理机资源；
2. 转换
• 进程创建(Enter)：系统创建进程，形成 PCB，分配所需资源，排入暂停进程表 (可为一个队列)； • 调度运行(Dispatch)：从暂停进程表中选 择一个进程(要求已完成I/O操作)，进入 运行状态； • 暂停运行(Pause)：用完时间片或启动I/O 操作后，放弃处理机，进入暂停进程表； • 进程结束(Exit)：进程运行中止；
并发执行的条件：达到封闭性和可再现性
并发执行失去封闭性的原因是共享资源的影响，去掉 这种影响就行了。1966年，由Bernstein给出并发执行 的条件。（这里没有考虑执行速度的影响。）
• 程序 P(i) 针对共享变量的读集和写集 R(i)和W(i) • 条件：任意两个程序P(i)和P(j)，有：
– 运行到结束：分为正常退出Exit和异常退出abort（执行超时或 内存不够，非法指令或地址，I/O失败，被其他进程所终止） – 就绪或阻塞到结束：可能的原因有：父进程可在任何时间中 止子进程；
2. 转换
• 超时（Timeout）：由于用完时间片或高优先 进程就绪（被抢先）等导致进程暂停运行； • 事件等待（Event Wait）：进程要求的事件未 出现而进入阻塞；可能的原因包括：申请系统 服务或资源、通信、I/O操作等； • 事件出现（Event Occurs）：进程等待的事件 出现；如：操作完成、申请成功等；
– 静态部分（PCB和资源表格） – 动态部分：核心栈（核心过程的栈结构，不同进程在调 用相同核心过程时有不同核心栈）
核心态和用户态
• 用户态是指进程执行用户应用程序代码 时的状态。处于用户态的进程，不可直 接访问受保护的OS代码； • 核心态是指进程通过系统调用来执行操 作系统代码时的状态。处于核心态的进 程执行的代码是OS代码，可以访问整个 进程的全部地址空间。
4.1 进程(PROCESS)
4.1.1 程序的顺序执行和并发执行 4.1.2 进程的定义和描述 4.1.3 进程的状态转换 4.1.4 操作系统代码的执行
返回
4.1.1 程序的顺序执行和并发执行
• 程序的执行有两种方式：顺序执行和并发执 行。
– 顺序执行是单道批处理系统的执行方式，也用于 简单的单片机系统； – 现在的操作系统多为并发执行，具有许多新的特 征。引入并发执行的目的是为了提高资源利用率 并适应多任务处理的要求。
• 就绪状态(Ready)：进程已获得除处理机外的所需资源， 等待分配处理机资源；只要分配CPU就可执行。
– 可以按多个优先级来划分队列，如：时间片用完－>低优， I/O完成－>中优，页面调入完成－>高优
• 阻塞状态(Blocked)：由于进程等待某种条件（如I/O操 作或进程同步），在条件满足之前无法继续执行。该 事件发生前即使把处理机分配给该进程，也无法运行。 如：等待I/O操作的完成。
4.1.3.2 五状态进程模型
两状态模型无法区分暂停进程表中的可运行和阻塞，五状态模 型就是对暂停状态的细化。
New
Admit
Ready
Dispatch
Timeout
Running
Release
Exit
Event Occurs
ate
t en t Ev ai W
Cre
Blocked
五状态进程模型(状态变迁)
食谱 ＝ 程序；科学家 ＝ CPU； 原料 ＝ 数据；做蛋糕 = 进程；
这时小儿子哭着跑进来，说手被蜜蜂蛰了。教授只好把蛋糕先放 在一边。他在食谱上做了个标记，把状态信息记录了起来。然后 又去找了一本医疗手册，查到了相关的内容，按照上面的指令一 步步地执行。当伤口处理完之后，又回到厨房继续做蛋糕。
CPU从一个进程（做蛋糕）切换到 另一个进程（医疗救护）。
– 各状态的进行形成不同的索引表：就绪索引表、阻塞索 引表
Index Table PCB Table Ready Blocked Blocked Ready PCB Table
7. 进程上下文
进程上下文是对进程执行活动全过程的静态描述。进 程上下文由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器内 容及与该进程相关的核心数据结构组成。 • 用户级上下文：进程的用户地址空间（包括用户栈 各层次），包括用户正文段、用户数据段和用户栈； • 寄存器级上下文：程序寄存器、处理机状态寄存器、 栈指针、通用寄存器的值； • 系统级上下文：
• 创建状态(New)：进程刚创建，但还不能运行 (一种可能的原因是OS对并发进程数的限制)； 如：分配和建立PCB表项（可能有数目限制）、 建立资源表格（如打开文件表）并分配资源， 加载程序并建立地址空间表。 • 结束状态(Exit)：进程已结束运行，回收除 PCB之外的其他资源，并让其他进程从PCB中 收集有关信息（如记帐，将退出码exit code传 递给父进程）。
• 每个进程在OS中的登记表项（可能有总数目限制）， OS据此对进程进行控制和管理（PCB中的内容会动 态改变），不同OS则不同 • 处于核心段，通常不能由应用程序自身的代码来直 接访问，而要通过系统调用，或通过UNIX中的进程 文件系统(/proc)直接访问进程映象(image)。文件或 目录名为进程标识（如：00316），权限为创建者可 读写。
• 创建新进程：创建一个新进程，以运行一个程序。可能 的原因为：用户登录、OS创建以提供某项服务、批处 理作业。 • 收容(Admit, 也称为提交)：收容一个新进程，进入就绪 状态。由于性能、内存、进程总数等原因，系统会限制 并发进程总数。 • 调度运行(Dispatch)：从就绪进程表中选择一个进程，进 入运行状态； • 释放(Release)：由于进程完成或失败而中止进程运行， 进入结束状态；
进程控制块的内容
• 进程描述信息：
– 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数； – 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一）； – 用户标识符(user ID)；进程组关系(process group)
• 进程控制信息：
– – – – – – 当前状态； 优先级(priority)； 代码执行入口地址； 程序的外存地址； 运行统计信息（执行时间、页面调度）； 进程间同步和通信；阻塞原因
第四章 进程管理
为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享，我们需要一个 描述程序执行时动态特征的概念，这就是进程。在本章中，我 们将讨论进程概念、进程控制和进程间关系。
4.1 进程(PROCESS) 4.2 进程控制 4.3 线程(THREAD) 4.4 进程互斥和同步 4.5 进程间通信(IPC, INTER-PROCESS COMMUNICATION) 4.6 死锁问题(DEADLOCK) 4.7 进程其他方面的举例
前两条保证一个程序的两次读之间数据不变化；最 后一条保证写的结果不丢掉。
现在的问题是这个条件不好检查。
4.1.2 进程的定义和描述
1. 进程的定义
一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合 上的一次动态执行过程。
4. 处理机调度器（dispatcher）
处理机调度器是操作系统中的一段代码， 它完成如下功能：
• 把处理机从一个进程切换到另 一个进程； • 防止某进程独占处理机；
5. 进程控制块 (PCB, process control block)
进程控制块是由OS维护的用来记录进程相关 信息的一块内存。
Event 1 Occurs Event 1 Queue Event 2 Occurs Event 2 Queue
Event 1 Wait
Event 2 Wait
五状态进程模型(多队列结构)
1. 状态
• 运行状态(Running)：占用处理机资源；处于此状态的 进程的数目小于等于CPU的数目。
– 在没有其他进程可以执行时（如所有进程都在阻塞状态）， 通常会自动执行系统的空闲进程（相当于空操作）。
四个进程在并发地运行
3. 进程与程序的区别
• 进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码 的集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计 算机之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和 可以复制。 • 进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态 变化的过程，程序可长久保存。 • 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、 数据和进程控制块（即进程状态信息）。 • 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程 序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可 包括多个程序。
4.1.3 进程的状态转换
4.1.3.1 两状态进程模型 4.1.3.2 五状态进程模型 4.1.3.3 挂起进程模型
4.1.3.1 两状态进程模型
Dispatch
Enter
Not-Running
Running
Exit
Pause (a)状态变迁图 Queue Enter Dispatch Processor Exit
• 它对应虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟外设等 资源的分配和回收； • 引入多进程，提高了对硬件资源的利用率，但 又带来额外的空间和时间开销，增加了OS 的 复杂性；
进程与程序的关系类比
有一个计算机科学家，想亲手给女儿做一个生日蛋糕。所以他就 找了一本有关做蛋糕的食谱，买了一些原料，面粉、鸡蛋、糖、 香料等，然后边看边学边做。
注：对于五状态进程模型，一个重要的问题是当一个 事件出现时如何检查阻塞进程表中的进程状态。当进 程多时，对系统性能影响很大。一种可能的作法是按 等待事件类型，排成多个队列。
4.1.3.3 挂起进程模型
• 这个问题的出现是由于进程优先级的引入，一 些低优先级进程可能等待较长时间，从而被对 换至外存。这样做的目的是：
Pause (b)队列结构
1. 状态
• 运行状态(Running)：占用处理机资源； • 暂停状态(Not-Running)：等待进程调度 分配处理机资源；
2. 转换
• 进程创建(Enter)：系统创建进程，形成 PCB，分配所需资源，排入暂停进程表 (可为一个队列)； • 调度运行(Dispatch)：从暂停进程表中选 择一个进程(要求已完成I/O操作)，进入 运行状态； • 暂停运行(Pause)：用完时间片或启动I/O 操作后，放弃处理机，进入暂停进程表； • 进程结束(Exit)：进程运行中止；
并发执行的条件：达到封闭性和可再现性
并发执行失去封闭性的原因是共享资源的影响，去掉 这种影响就行了。1966年，由Bernstein给出并发执行 的条件。（这里没有考虑执行速度的影响。）
• 程序 P(i) 针对共享变量的读集和写集 R(i)和W(i) • 条件：任意两个程序P(i)和P(j)，有：
– 运行到结束：分为正常退出Exit和异常退出abort（执行超时或 内存不够，非法指令或地址，I/O失败，被其他进程所终止） – 就绪或阻塞到结束：可能的原因有：父进程可在任何时间中 止子进程；
2. 转换
• 超时（Timeout）：由于用完时间片或高优先 进程就绪（被抢先）等导致进程暂停运行； • 事件等待（Event Wait）：进程要求的事件未 出现而进入阻塞；可能的原因包括：申请系统 服务或资源、通信、I/O操作等； • 事件出现（Event Occurs）：进程等待的事件 出现；如：操作完成、申请成功等；
– 静态部分（PCB和资源表格） – 动态部分：核心栈（核心过程的栈结构，不同进程在调 用相同核心过程时有不同核心栈）
核心态和用户态
• 用户态是指进程执行用户应用程序代码 时的状态。处于用户态的进程，不可直 接访问受保护的OS代码； • 核心态是指进程通过系统调用来执行操 作系统代码时的状态。处于核心态的进 程执行的代码是OS代码，可以访问整个 进程的全部地址空间。
4.1 进程(PROCESS)
4.1.1 程序的顺序执行和并发执行 4.1.2 进程的定义和描述 4.1.3 进程的状态转换 4.1.4 操作系统代码的执行
返回
4.1.1 程序的顺序执行和并发执行
• 程序的执行有两种方式：顺序执行和并发执 行。
– 顺序执行是单道批处理系统的执行方式，也用于 简单的单片机系统； – 现在的操作系统多为并发执行，具有许多新的特 征。引入并发执行的目的是为了提高资源利用率 并适应多任务处理的要求。
• 就绪状态(Ready)：进程已获得除处理机外的所需资源， 等待分配处理机资源；只要分配CPU就可执行。
– 可以按多个优先级来划分队列，如：时间片用完－>低优， I/O完成－>中优，页面调入完成－>高优
• 阻塞状态(Blocked)：由于进程等待某种条件（如I/O操 作或进程同步），在条件满足之前无法继续执行。该 事件发生前即使把处理机分配给该进程，也无法运行。 如：等待I/O操作的完成。
4.1.3.2 五状态进程模型
两状态模型无法区分暂停进程表中的可运行和阻塞，五状态模 型就是对暂停状态的细化。
New
Admit
Ready
Dispatch
Timeout
Running
Release
Exit
Event Occurs
ate
t en t Ev ai W
Cre
Blocked
五状态进程模型(状态变迁)
食谱 ＝ 程序；科学家 ＝ CPU； 原料 ＝ 数据；做蛋糕 = 进程；
这时小儿子哭着跑进来，说手被蜜蜂蛰了。教授只好把蛋糕先放 在一边。他在食谱上做了个标记，把状态信息记录了起来。然后 又去找了一本医疗手册，查到了相关的内容，按照上面的指令一 步步地执行。当伤口处理完之后，又回到厨房继续做蛋糕。
CPU从一个进程（做蛋糕）切换到 另一个进程（医疗救护）。
– 各状态的进行形成不同的索引表：就绪索引表、阻塞索 引表
Index Table PCB Table Ready Blocked Blocked Ready PCB Table
7. 进程上下文
进程上下文是对进程执行活动全过程的静态描述。进 程上下文由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器内 容及与该进程相关的核心数据结构组成。 • 用户级上下文：进程的用户地址空间（包括用户栈 各层次），包括用户正文段、用户数据段和用户栈； • 寄存器级上下文：程序寄存器、处理机状态寄存器、 栈指针、通用寄存器的值； • 系统级上下文：
• 创建状态(New)：进程刚创建，但还不能运行 (一种可能的原因是OS对并发进程数的限制)； 如：分配和建立PCB表项（可能有数目限制）、 建立资源表格（如打开文件表）并分配资源， 加载程序并建立地址空间表。 • 结束状态(Exit)：进程已结束运行，回收除 PCB之外的其他资源，并让其他进程从PCB中 收集有关信息（如记帐，将退出码exit code传 递给父进程）。
• 每个进程在OS中的登记表项（可能有总数目限制）， OS据此对进程进行控制和管理（PCB中的内容会动 态改变），不同OS则不同 • 处于核心段，通常不能由应用程序自身的代码来直 接访问，而要通过系统调用，或通过UNIX中的进程 文件系统(/proc)直接访问进程映象(image)。文件或 目录名为进程标识（如：00316），权限为创建者可 读写。
• 创建新进程：创建一个新进程，以运行一个程序。可能 的原因为：用户登录、OS创建以提供某项服务、批处 理作业。 • 收容(Admit, 也称为提交)：收容一个新进程，进入就绪 状态。由于性能、内存、进程总数等原因，系统会限制 并发进程总数。 • 调度运行(Dispatch)：从就绪进程表中选择一个进程，进 入运行状态； • 释放(Release)：由于进程完成或失败而中止进程运行， 进入结束状态；
进程控制块的内容
• 进程描述信息：
– 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数； – 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一）； – 用户标识符(user ID)；进程组关系(process group)
• 进程控制信息：
– – – – – – 当前状态； 优先级(priority)； 代码执行入口地址； 程序的外存地址； 运行统计信息（执行时间、页面调度）； 进程间同步和通信；阻塞原因
第四章 进程管理
为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享，我们需要一个 描述程序执行时动态特征的概念，这就是进程。在本章中，我 们将讨论进程概念、进程控制和进程间关系。
4.1 进程(PROCESS) 4.2 进程控制 4.3 线程(THREAD) 4.4 进程互斥和同步 4.5 进程间通信(IPC, INTER-PROCESS COMMUNICATION) 4.6 死锁问题(DEADLOCK) 4.7 进程其他方面的举例