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全書共分7章, 第1章結束操作系統(tǒng)的概念、功能、類型及其發(fā)展; 第2章至第7章介紹操作系統(tǒng)對進程管理、進程同步與互斥、調(diào)度與死鎖、存儲器管理、設備管理和文件管理等。作者結合多年的實踐教學經(jīng)驗, 編寫了本教材, 其最大特色是各知識點簡潔突出。

　　前言

　　Foreword計算機系統(tǒng)是由硬件與軟件緊密結合的統(tǒng)一整體。操作系統(tǒng)是硬件功能的首次擴充，也是其他系統(tǒng)軟件和應用軟件建立的基礎和支撐平臺，在計算機系統(tǒng)中處于承上啟下的關鍵地位。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心軟件，它管理和控制整個計算機系統(tǒng)，使之高效、協(xié)調(diào)地運轉，為用戶提供方便的服務。操作系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)對整個計算機的功能和性能起著至關重要的作用。學習操作系統(tǒng)不僅要掌握其基本概念和原理，更重要的是要了解在操作系統(tǒng)中如何實現(xiàn)這些原理，并學以致用，靈活運用到實際工作中。操作系統(tǒng)是計算機專業(yè)的必修課程。掌握操作系統(tǒng)的基本概念、理解其工作原理，對于深入學習計算機乃至信息類專業(yè)知識、提升軟件開發(fā)和項目設計能力都有著非常重要的作用。

　　本教材以《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》為指導，針對計算機相關專業(yè)學生應掌握的知識結構，參照教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會關于操作系統(tǒng)課程的教學要求，參考國內(nèi)外比較成熟的教材，借鑒新理論和新技術，結合當前國內(nèi)普通高等院校學生的實際情況，根據(jù)作者多年的教學實踐經(jīng)驗編寫而成。教材以介紹操作系統(tǒng)的基本概念為主，闡述操作系統(tǒng)的基本原理、基本結構，剖析操作系統(tǒng)的工作過程、實現(xiàn)技術和運行機制，希望通過這種方式，使學生更系統(tǒng)、直觀、深刻地理解操作系統(tǒng)，并依據(jù)所學知識，設計、開發(fā)自己的操作系統(tǒng)或應用系統(tǒng)。本教材力求結構清晰、概念清楚,內(nèi)容由淺入深、易教易學，立足于培養(yǎng)學生的實際應用能力。

　　本教材共分7章。第1章緒論，概括介紹操作系統(tǒng)的基本概念、主要功能、發(fā)展過程、基本特征；第2章進程管理，首先介紹CPU管理的功能，然后介紹進程的概念，進程的特征、狀態(tài)及其轉換，進程的描述與管理，線程的概念；第3章進程同步，首先介紹并發(fā)程序的有關技術，講解進程互斥、同步機制，信號量和管程機制，隨后介紹進程通信；第4章調(diào)度與死鎖，介紹進程調(diào)度算法和死鎖的基本概念、必要條件和處理方法；第5章存儲器管理，講述存儲器管理的基本概念、各種分配管理方法和虛擬存儲管理技術；第6章設備管理，講解設備控制、設備分配和處理等問題；第7章文件管理，介紹文件結構、文件目錄和存儲空間管理等。每章均配備了適當?shù)牧曨}，可幫助學生消化并掌握操作系統(tǒng)的知識。

　　本教材編寫分工如下:第1～5章由段正杰編寫，第6、7章由劉華文編寫。最后由劉華文負責統(tǒng)稿、審閱全書。本教材在編寫過程中得到了相關老師的大力支持和幫助，在此向他們表示衷心的感謝！本教材內(nèi)容參考和引用了國內(nèi)外相關著作、教材，以及部分互聯(lián)網(wǎng)上的技術資料，在此，一并表示深深的感謝！

　　由于編者水平有限，錯誤與不妥之處在所難免，希望廣大讀者批評指正，以便我們改進、完善本教材，謝謝！

　　編者◆計算機操作系統(tǒng)原理

　　第3章chapter3

　　進程同步1.1微型計算機簡介操作系統(tǒng)引入進程后,雖然改善了資源的利用率,提高了系統(tǒng)的吞吐量,但是系統(tǒng)中的多個進程由于競爭使用系統(tǒng)資源,導致它們之間存在一定的相互依賴、相互制約的關系。為了有效地協(xié)調(diào)各個并發(fā)進程間的關系,系統(tǒng)必須采用同步機制,確保進程之間能正確地競爭資源,并相互協(xié)調(diào)、相互合作。

　　3.1基本概念[4/5]3.1.1進程的制約關系多道程序環(huán)境下,系統(tǒng)中存在著多個并發(fā)進程。這些并發(fā)進程之間可能相互獨立,即一個進程的執(zhí)行不影響其他進程的執(zhí)行,此時系統(tǒng)無須對這些并發(fā)進程進行特別控制;并發(fā)進程之間也可能彼此相關、相互影響,即一個進程的執(zhí)行可能影響其他進程的執(zhí)行結果,此時,系統(tǒng)就需要合理地控制和協(xié)調(diào)這些進程的執(zhí)行。根據(jù)共享資源性質(zhì)的不同,并發(fā)進程之間的關系可以分為間接制約關系和直接制約關系。

　　（1）間接制約關系:也稱“競爭關系”,指系統(tǒng)中多個進程訪問相同的資源,其中一個進程訪問資源時,其他需訪問此資源的進程必須等待,只有當該進程釋放該資源后,其他進程才能訪問。進程的競爭關系可通過進程互斥方式來解決。

　�。�2）直接制約關系:也稱“合作關系”,指系統(tǒng)中多個進程需要相互合作才能完成同一任務。例如,假設輸入進程和計算進程共同使用一個單緩沖區(qū),那么當輸入進程將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)后,計算進程才能開始計算;當計算進程將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)取走后,輸入進程才可以再次向緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。進程的合作關系可通過進程同步機制來實現(xiàn)。

　　3.1.2進程互斥與同步[2]1.臨界資源及臨界區(qū)為了便于控制和管理競爭資源,系統(tǒng)引入了臨界資源和臨界區(qū)的概念:

　　（1）臨界資源:指一次只允許一個進程訪問的資源。臨界資源在任何時刻都不允許兩個及以上并發(fā)進程同時訪問。系統(tǒng)中有許多獨占性硬件資源（如卡片輸入機和打印機等）和軟件資源（如變量、表格、隊列、棧和文件等）均屬于臨界資源。

　�。�2）臨界區(qū):指進程訪問臨界資源的那段程序代碼。

　　系統(tǒng)若能保證進程互斥地進入各自的臨界區(qū),便可實現(xiàn)臨界資源的互斥訪問。

　　2.進程互斥

　　進程互斥是指當一個進程進入臨界區(qū)使用臨界資源時,其他進程必須等待。當占用臨界資源的進程退出臨界區(qū)后,另外一個進程才被允許使用臨界資源。

　　◆計算機操作系統(tǒng)原理第◆3章進程同步若要實現(xiàn)各進程對臨界資源的互斥訪問,則需要保證各進程互斥地進入自己的臨界區(qū)。進程在進入臨界區(qū)之前,應先對臨界資源進行檢查,確認該資源是否正在被訪問。若臨界資源正被其他進程訪問,則該進程不能進入臨界區(qū);若臨界資源空閑,該進程便可以進入臨界區(qū)對臨界資源進行訪問,并將該資源的標志設置為正在被訪問。因此,進程訪問臨界資源前,應增加一段用于進行上述檢查的代碼,這段代碼稱為進入臨界區(qū);臨界資源訪問結束后,也要增加一段用于將臨界資源標志恢復為未被訪問的代碼,這段代碼稱為退出臨界區(qū)。臨界區(qū)的框架如下:do{

　　進入臨界區(qū)

　　訪問臨界資源

　　退出臨界區(qū)

　　其余代碼

　　}while(1);3.進程同步

　　進程同步是指多個進程為了合作完成同一個任務,在執(zhí)行次序上相互協(xié)調(diào)、相互合作,在一些關鍵點上還需要相互等待或相互通信。

　　進程同步的例子在現(xiàn)實生活中隨處可見,如司機與售票員的關系。公共汽車的司機負責開車和到站停車,售票員負責售票和開關車門,他們之間是相互合作、相互配合的。例如車門關閉后才能啟動,到站停車后才能打開車門,即“啟動汽車”在“關閉車門”之后,而“打開車門”在“到站停車”之后。司機和售票員之間的活動關系如圖31所示。

　　圖31司機與售票員的關系

　　若進程P1和P2分別表示司機和售票員,當它們并發(fā)向前推進時,則需滿足以下要求:

　�。�1）若P1推進到①,但P2未到達②時,則P1應等待,直到P2到達②為止。

　�。�2）若P2推進到④,但P1未到達③時,則P2應等待,直到P1到達③為止。

　�。�3）若P1在①處等待,則當P2到達②處時,應通知（喚醒）P1。

　�。�4）若P2在④處等待,則當P1到達③處時,應通知（喚醒）P2。

　　由此可知,為了協(xié)調(diào)進程推進次序,相互合作的并發(fā)進程有時需要互相等待與互相喚醒。

　　4.同步與互斥的關系

　　同步與互斥是并發(fā)進程之間兩種重要關系,其中互斥反映了進程間的競爭關系,而同步則反映了進程間的合作關系。

　　進程互斥是進程同步的一種特殊情況。例如,某個進程進入臨界區(qū)時,其他進程不允許進入臨界區(qū)。當進程完成任務離開臨界區(qū),并歸還臨界資源后,喚醒其等待進入臨界區(qū)的進程。這說明互斥的進程也存在特殊的合作關系。因此,互斥是一種特殊的同步關系。

　　互斥所涉及的并發(fā)進程之間只是競爭獲得共享資源的使用權,這種競爭沒有固定的、必然的聯(lián)系,誰競爭到資源,誰就擁有資源的使用權,直到不需要時才歸還;而同步所涉及的并發(fā)進程之間有一種必然的聯(lián)系,在進程同步過程中,即使沒有進程使用共享資源,尚未得到同步消息的進程也不能去使用共享資源。

　　5.臨界區(qū)的管理準則

　　為了實現(xiàn)進程的同步與互斥,可以利用軟件方法或在系統(tǒng)中設置專門的同步機制,協(xié)調(diào)各個并發(fā)進程。同步機制必須遵循以下4條準則:

　�。�1）閑則讓進:當臨界資源處于空閑狀態(tài)時,系統(tǒng)應允許一個請求訪問該臨界資源的進程進入自己的臨界區(qū),訪問該臨界資源。

　�。�2）忙則等待:當臨界資源正在被訪問時,其他試圖進入臨界區(qū)訪問該臨界資源的進程必須等待,以保證臨界資源的互斥訪問。

　�。�3）有限等待:對于等待訪問臨界資源的進程,系統(tǒng)應保證這些等待進程在有限時間內(nèi)能進入臨界區(qū),訪問臨界資源,以避免陷入“死等”狀態(tài)。

　�。�4）讓權等待:當進程不能進入臨界區(qū)訪問臨界資源時,應立即釋放CPU,以免該進程陷入“忙等”（即等待時占有CPU）狀態(tài)。

　　3.2同步機制

　　進程同步機制的基本目標是在功能上保證進程能夠正確地互斥執(zhí)行各自的臨界區(qū),其具體的實現(xiàn)方法包括軟件方法、硬件方法、信號量方法和管程這四大類。

　　3.2.1軟件方法

　　軟件方法是指通過編寫程序代碼方式進入臨界區(qū),以訪問臨界資源。此方法既適用于單CPU環(huán)境,也適用于多CPU環(huán)境,只需這些CPU共享一個存儲區(qū),且各個進程對該存儲區(qū)串行訪問即可。

　　下面通過程序偽代碼方式說明實現(xiàn)進程之間互斥訪問臨界資源的軟件方法。

　　1.算法1

　　該算法的基本思想:若一個進程申請使用臨界資源,應先查看該資源當前是否被一個進程訪問。若資源正在被訪問,則該進程只能等待,否則進入自己的臨界區(qū)執(zhí)行。下面是進程P1和P2的程序偽代碼,其中inside1和inside2為布爾型變量,且初值均false,表示P1和P2均不在其臨界區(qū)內(nèi)。booleaninside1,inside2;

　　inside1=false;//P1不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　inside2=false;//P2不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　cobegin

　　processP1(){

　　while(inside2);

　　inside1=ture;

　　訪問臨界資源;

　　inside1=false;

　　}

　　processP2(){

　　while(inside1);

　　inside2=ture;

　　訪問臨界資源;

　　inside2=false;

　　}

　　coend該算法雖然實現(xiàn)了進程互斥管理的“閑則讓進”準則,保證了每次只允許一個進程進入臨界區(qū),但違背了“忙則等待”準則。例如,假設P1和P2先后執(zhí)行“while（inside2）;”和“while（inside1）;”,發(fā)現(xiàn)對方均不在臨界區(qū)內(nèi),則它們執(zhí)行“inside1=true;”和“inside2=true;”,并進入了各自臨界區(qū)內(nèi),同時訪問該臨界資源。

　　2.算法2

　　算法1違背了“忙則等待”準則,沒有實現(xiàn)對臨界區(qū)的互斥訪問。算法2對其進行了改進,即進程若想進入臨界區(qū),必須搶先將自己的標志設置為true,以防止對方再進入臨界區(qū)。

　　算法2的程序偽代碼如下:booleaninside1,inside2;

　　inside1=false;//P1不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　inside2=false;//P2不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　cobegin

　　processP1(){

　　inside1=ture;

　　while(inside2);

　　訪問臨界資源;

　　inside1=false;

　　}

　　processP2(){

　　inside2=ture;

　　while(inside1);

　　訪問臨界資源;

　　inside2=false;

　　}

　　coend算法2雖然解決了“忙則等待”問題,但存在著“有限等待”問題。例如,當P1和P2都判斷對方不在臨界區(qū)時,P1執(zhí)行“inside1=true;”,此時P2同樣也執(zhí)行“inside2=true;”,然后P1和P2分別執(zhí)行“while(inside2);”和“while(inside1);”時,均因為條件不滿足,而無法往下執(zhí)行,導致P1和P2將陷入無限等待狀態(tài)。

　　3.Peterson算法

　　Peterson采用了原語形式,提出了一種表述簡單的算法,很好地解決了臨界區(qū)互斥的問題,能滿足臨界區(qū)訪問的四個條件。Peterson算法的基本思想:當一個進程需要進入臨界區(qū),需先調(diào)用enter_section()函數(shù),判斷是否可以安全進入臨界區(qū),若不能則等待;當從臨界區(qū)退出后,調(diào)用leave_section()函數(shù),允許其他進程進入臨界區(qū)。Peterson算法流程如下:#defineFALSE0

　　#defineTRUE1

　　#defineN2//競爭資源的進程數(shù)目

　　intobserver;//輪到哪個進程觀察要進入臨界區(qū)的情況

　　intwanted_in(N);//各進程希望進入臨界區(qū)的標志

　　enter_section(process)//進入臨界區(qū)的互斥控制函數(shù)

　　intprocess;//進程編號,0或1

　　{

　　intother;//對方進程號

　　other=1-process;

　　wanted_in\[process\]=TRUE;//本進程要進入臨界區(qū)

　　observer=process;//觀察進入臨界區(qū)的情況,設置標志位

　　while(observer==process&&wanted_in\[other\]);//等待,什么都不做

　　}

　　leaver_section(process)//退出臨界區(qū)函數(shù)

　　intprocess;

　　{

　　wanted_in\[process\]=FALSE;//離開了臨界區(qū)

　　}3.2.2硬件方法

　　軟件方法相對復雜且容易出錯,因而現(xiàn)在系統(tǒng)較少采用。目前常用的是通過硬件方法實現(xiàn)同步互斥操作。

　　1.開關中斷法

　　開關中斷法采用中斷方式,借助硬件中斷機構實現(xiàn)臨界區(qū)的管理。當進程進入臨界區(qū)后,關閉系統(tǒng)中斷;離開臨界區(qū)時,重新開啟系統(tǒng)中斷。由于進程切換是由時鐘或其他中斷導致,因而當中斷被屏蔽后,其他進程無法獲得CPU調(diào)度,導致無法運行,從而實現(xiàn)了臨界區(qū)的互斥訪問。進程進入臨界區(qū)后,只要不自行掛起,就會連續(xù)地執(zhí)行,直至退出臨界區(qū),并在執(zhí)行開中斷指令后,才可能重新調(diào)度,允許其他進程進入臨界區(qū)。do{

　　開中斷

　　訪問臨界資源

　　關中斷

　　其余代碼

　　}while(1);開關中斷方法具有效率高、簡單易行,且系統(tǒng)不會出現(xiàn)忙等現(xiàn)象;但其缺點也較明顯,如只適用于單CPU系統(tǒng)和系統(tǒng)效率較低,進而影響系統(tǒng)處理緊迫事件的能力。多CPU系統(tǒng)中,禁止中斷只會影響當前CPU,而其他CPU上并行執(zhí)行的進程仍然能不受阻礙地進入臨界區(qū)。

　　2.測試與設置方法

　　測試和設置（TestandSet,TS）方法利用指令讀取內(nèi)存中某個變量的值后,重新給它賦一個新值。TS指令定義如下:intTS(inttarget){

　　inttemp;

　　temp=target;

　　target=1;

　　return(temp);

　　}TS指令首先讀取當前變量的值,作為參數(shù)返回,同時將其值置為1。由于該指令是原子操作,因此,它在執(zhí)行期間不允許被打斷,即所有語句要么全執(zhí)行,要么都不執(zhí)行。

　　TS指令可用來實現(xiàn)進程互斥操作。具體地,設置一個共享變量（如lock）,置其初值為0,表示臨界區(qū)內(nèi)沒有進程。每個進程在進入臨界區(qū)之前,先使用TS指令測試該共享變量。若其值為0,則進入臨界區(qū),并將其值置為1;若其值為1,則表明其他進程已進入臨界區(qū),此時該進程需等待。進程離開臨界區(qū)時,需將共享變量的值置為0。使用TS指令的互斥算法如下:while(1){

　　while(TS(lock));

　　訪問臨界資源;

　　lock=0;

　　}盡管上面算法可以實現(xiàn)進程互斥操作,但仍然存在“忙碌等待”,浪費了CPU寶貴的資源,因而實際情況中較少使用。

　　3.swap指令

　　Swap指令也稱交換指令,其功能是交換兩個變量的值,具體實現(xiàn)如下:voidswap(inta,b){

　　inttemp;

　　temp=a;a=b;b=temp;

　　}Swap指令是原子操作,執(zhí)行期間是不可分割的。使用swap指令實現(xiàn)進程互斥時,需對臨界區(qū)（可表示為一組共享變量）定義一個全局變量（如lock）,并對每個進程定義一個局部變量（如key）。利用swap指令實現(xiàn)的進程互斥算法具體實現(xiàn)如下:key=1;

　　do{

　　swap(&lock,&key);

　　whlie(key==1);

　　訪問臨界資源;

　　lock=0;

　　其余代碼;

　　}while(1);進程在進入臨界區(qū)前,利用swap指令交換lock和key的值,檢查key的狀態(tài),判斷是否有進程已進入臨界區(qū)。若其他進程已進入,則該進程不斷重復交換和檢查過程,直到其他進程退出臨界區(qū)。

　　3.3信號量方法

　　由于硬件方法采用原語或指令形式,將修改和檢查作為一個不可分割的整體,因而比軟件方法具有明顯的優(yōu)勢。然而,進入臨界區(qū)的進程是隨機選擇的,使得部分進程可能一直未被選擇,從而導致“饑餓”現(xiàn)象。為此,實際系統(tǒng)中常采用信號量機制和PV操作進程互斥。

　　信號量機制是指兩個或多個進程利用彼此之間收發(fā)的簡單信號來實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行,其中進程若未收到指定的信號,則停留在特定的地方,直至收到了信號后才能繼續(xù)往下執(zhí)行。信號量機制目前是一種卓有成效的進程同步機制,已被廣泛應用于各種系統(tǒng)。

　　3.3.1信號量機制[2]1.信號量的概念信號量（Semaphore）是一種特殊變量,它用來表示系統(tǒng)中資源的使用情況,其值與臨界區(qū)內(nèi)所使用的臨界資源的狀態(tài)有關。如果信號量S是一個整型變量,則其值表示系統(tǒng)中某類資源的數(shù)目。S必須且只能設置一次初值,并大于或等于0。當其值大于0時,表示系統(tǒng)中對應可用資源的數(shù)目;當其值小于0時,其絕對值表示等待該類資源的進程的數(shù)目;當其值等于0時,表示系統(tǒng)中對應資源已用完,且沒有進程等待該類資源。

　　2.信號量的操作

　　信號量機制中,信號量的值僅能通過兩個標準的原語操作來改變,它們分別是P操作和V操作。信號量S的P、V操作表示為:P(S)和V(S),也稱為wait和signal。由于P、V操作是原語,因此,它們在執(zhí)行的過程中不可中斷。

　　利用信號量和P、V操作既可以解決并發(fā)進程對資源的競爭問題,又可以解決并發(fā)進程的合作問題。進程在互斥訪問臨界資源、進入臨界區(qū)前,先執(zhí)行P操作,退出臨界區(qū)后應執(zhí)行V操作。

　　3.3.2信號量的分類

　　信號量機制自提出以來得到了很大發(fā)展,已從最初的單信號量機制發(fā)展到多信號量機制。

　　1.單信號量機制

　　單信號量機制是指信號量所涉及的變量只有一個。根據(jù)變量的類型,單信號量機制包括互斥型信號量、整型信號量和記錄型信號量等,其中互斥型信號量最簡單,而記錄型信號量表達能力最強。

　　（1）互斥型信號量

　　互斥型信號量也稱0/1信號量,它的值為0、1或FALSE、TRUE,表示當前信號量所代表的臨界資源是否可用,其中1或TRUE表示臨界資源可用,而0或FALSE表示臨界資源當前已被占用。

　　互斥型信號量定義為:booleanS;//互斥信號量的定義互斥型信號量的P、V操作描述如下:voidP(booleanS){

　　while(!S);//若信號量為FALSE,表示資源不可用,繼續(xù)測試

　　S=FALSE;//表示可以進入臨界區(qū),同時不允許其他進程進入