操作系統(tǒng)讀書工程課程設(shè)計(jì)

1、“操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”讀書工程1.基本理論闡述 隨著計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，人們對(duì)操作系統(tǒng)的要求也越來越高，對(duì)這門科學(xué)的研究也在不斷地深入。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心系統(tǒng)軟件，它負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)系統(tǒng)的資源并組織用戶協(xié)調(diào)使用這些資源，使計(jì)算機(jī)高效的工作。同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石，操作系統(tǒng)身負(fù)諸如管理與內(nèi)存配置、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先關(guān)系、控制輸入與輸出、文件管理等基本事物，操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，大致可分為5個(gè)方面的管理功能。進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理。存儲(chǔ)器管理，設(shè)備管理、文件管理。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。操作系統(tǒng)是配置

2、在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的首次擴(kuò)充。她在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)了特別重要的地位。而其他的諸如匯編程序、編譯程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，以及大量的應(yīng)用軟件，都將依賴于操作系統(tǒng)的支持，取得它的服務(wù)。操作系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、多處理機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)中都必須配置的、最重要的系統(tǒng)軟件。在多道程序系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行來改善系統(tǒng)的資源利用率，提高系統(tǒng)的吞吐量，但可能發(fā)生一種危險(xiǎn)死鎖。所謂死鎖(Deadlock)，是指多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行過程中因爭(zhēng)奪資源而造成的一種僵局，當(dāng)進(jìn)程處于這種狀態(tài)時(shí)，若無外力作用，他們都無法在向前推進(jìn)。要預(yù)防死鎖，有摒棄“請(qǐng)求和保持”

3、條件，摒棄“不剝奪”條件，摒棄“環(huán)路等待”條件等方法。但是，在預(yù)防死鎖的幾種方法之中，都施加了較強(qiáng)的限制條件；而在避免死鎖的方法中，所施加的限制條件較弱，有可能獲得令人滿意的系統(tǒng)性能。在該方法中把系統(tǒng)狀態(tài)分為安全狀態(tài)和不安全狀態(tài)，便可避免死鎖的發(fā)生。而最具代表性的避免死鎖的算法，便是Dijkstra的銀行家算法。利用銀行家算法，我們可以來檢測(cè)CPU為進(jìn)程分配資源的情況，決定CPU是否響應(yīng)某進(jìn)程的的請(qǐng)求并為其分配資源，從而很好避免了死鎖的產(chǎn)生。2.當(dāng)前理論或?qū)嵺`應(yīng)用現(xiàn)狀 操作系統(tǒng)是一管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)身負(fù)諸如管理與配置內(nèi)存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)

4、先次序、控制輸入與輸出設(shè)備、操作網(wǎng)絡(luò)與管理文件系統(tǒng)等基本事務(wù)。管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部硬件資源包括軟件資源及數(shù)據(jù)資源;控制程序運(yùn)行;改善人機(jī)界面;為其它應(yīng)用軟件提供支持等，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務(wù)界面。操作系統(tǒng)的管理控制程序，大致包括5 個(gè)方面的管理功能:進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理。目前微機(jī)上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。但所有的操作系統(tǒng)具有并發(fā)性、共享性、虛擬性和不確定性四個(gè)基本特征。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域來劃分，可分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、主機(jī)

5、操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)。1.、操作系統(tǒng)的發(fā)展 手工操作階段。在這個(gè)階段的計(jì)算機(jī),主要元器件是電子管,運(yùn)算速度慢,沒有任何軟件,更沒有操作系統(tǒng)。用戶直接使用機(jī)器語言編寫程序,上機(jī)時(shí)完全手工操作,首先將預(yù)先準(zhǔn)備好的程序紙帶裝入輸入機(jī),然后啟動(dòng)輸入機(jī)把程序和數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī),接著通過開關(guān)啟動(dòng)程序運(yùn)行,計(jì)算完成后,打印機(jī)輸出結(jié)果。批處理階段 多道程序系統(tǒng)階段現(xiàn)代操作系統(tǒng)階段2.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 Windows 是一款流行的操作系統(tǒng)，在全球桌面系統(tǒng)市場(chǎng)占有90%左右的份額，同時(shí)在中低端服務(wù)器市場(chǎng)也有廣泛的應(yīng)用，如web 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Windows 作為一個(gè)現(xiàn)代操作系統(tǒng)，無論在技術(shù)方面，

6、還是在市場(chǎng)方面，都是成功的。 Unix 操作系統(tǒng)具有統(tǒng)一開放的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證規(guī)范。該規(guī)范使不同unix 操作系統(tǒng)上開發(fā)的應(yīng)用程序可以輕松移植，極大地促進(jìn)了unix 的發(fā)展和應(yīng)用。Unix 已經(jīng)成為大型機(jī)、服務(wù)器以及工作站的主要操作系統(tǒng)。Linux 作為unix 技術(shù)的繼承者，日益得到越來越多的服務(wù)器設(shè)備、數(shù)據(jù)庫和中間件等軟件廠商的支持，并對(duì)商業(yè)版unix 系統(tǒng)構(gòu)成很強(qiáng)的威脅。開源軟件模式及其實(shí)現(xiàn)的價(jià)值越來越得到社會(huì)的認(rèn)可。以開源linux 等為代表的類unix 操作系統(tǒng)在不斷地侵蝕unix 的市場(chǎng)空間。 Linux 操作系統(tǒng)無論從硬件還是從軟件來講，linux 都已經(jīng)是個(gè)成熟的操作系統(tǒng)。免費(fèi)與

7、開源的特性使得linux 對(duì)windows 的威脅也越來越大。在服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)上，linux 已經(jīng)是主流的操作系統(tǒng)之一。Linux 現(xiàn)在正在穩(wěn)步拓展桌面操作系統(tǒng)市場(chǎng)隨著linux 的流行，越來越多的廠商開始愛其銷售的計(jì)算機(jī)上預(yù)裝linux。處理死鎖的方法 兩相封鎖法（Two Phase Lock）通過防止并發(fā)操作間的沖突達(dá)到事務(wù)處理之間的同步。在讀出數(shù)據(jù)項(xiàng)x之前，事務(wù)處理必須要對(duì)x擁有讀封鎖。在對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)x寫入之前，事務(wù)處理必須要對(duì)x擁有寫封鎖。擁有讀封鎖和寫封鎖要遵照兩條管理規(guī)則：第一、二個(gè)事務(wù)處理不能同時(shí)對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)擁有相互沖突的封鎖。第二，在一個(gè)事務(wù)釋放了對(duì)某一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖擁

8、有權(quán)以后，就不得再申請(qǐng)要求得到對(duì)任何數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖擁有權(quán)。 上述對(duì)封鎖擁有權(quán)的規(guī)定使得每個(gè)事務(wù)處理都以兩相方式獲得封鎖的擁有權(quán)。在增加封鎖擁有權(quán)的階段，事務(wù)處理不能釋放對(duì)任何數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖擁有權(quán)、而只可以不斷申請(qǐng)獲得新的數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖擁有權(quán)。在一旦釋放了對(duì)某一數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖擁有權(quán)以后，事務(wù)處理進(jìn)入壓縮封鎖擁有權(quán)的階段。在這個(gè)階段中。事務(wù)處理只能不斷釋放它的封鎖擁有權(quán)而不得再申請(qǐng)對(duì)任何數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖擁有權(quán)。在事務(wù)處理結(jié)束（或夭折）時(shí)，將自動(dòng)釋放全部封鎖。 兩相封鎖法有一種特殊情況，在事務(wù)處理的主體部分執(zhí)行以前，就申請(qǐng)擁有該事務(wù)處理所需要的全部封鎖擁有權(quán)，通常稱這種特殊情況為“事先要求”。顯然，事先要求算法

9、有二個(gè)缺點(diǎn)：第一，過早地對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)擁有封鎖權(quán)將會(huì)限制系統(tǒng)可能達(dá)到的并發(fā)程度。第二，對(duì)程序設(shè)計(jì)者提出了事先列出本事務(wù)所需要的全部的封鎖權(quán)要求，增加了程序設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)。 用兩相封鎖法處理讀寫（寫寫）沖突操作時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了非循環(huán)的rwr（ww）關(guān)系，保證了一組事務(wù)處理過程的可串行化。串行執(zhí)行的順序由事務(wù)處理獲得封鎖擁有權(quán)的先后次序而定。在增長階段結(jié)束時(shí)，獲得了所需要的全部封鎖有權(quán)以后，稱為達(dá)到了該事務(wù)處理的封鎖點(diǎn)。令E表示采用兩相封鎖法作為同步機(jī)構(gòu)時(shí)，各事務(wù)處理的執(zhí)行順序，令E表示每個(gè)事務(wù)處理在它的封鎖點(diǎn)一次申請(qǐng)擁有全部所需封鎖擁有權(quán)的情況下的執(zhí)行順序。在這兩種情況下所作出的rwr及ww關(guān)系是相同的，因

10、而這二者的執(zhí)行順序也是一致的?；拘蛢上喾怄i法 兩相封鎖法的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)是一個(gè)調(diào)度程序，當(dāng)事務(wù)處理對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí)，調(diào)度程序按兩相封鎖法所描述的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行封鎖和解鎖操作。在分布式系統(tǒng)中，在每一個(gè)DM上有一調(diào)度程序，管理該DM所管轄的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)項(xiàng)。當(dāng)DM接收到對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)x的讀出（寫入）請(qǐng)求時(shí)，調(diào)度程序自動(dòng)地為該數(shù)據(jù)項(xiàng)申請(qǐng)讀（寫）封鎖。如果這時(shí)該數(shù)據(jù)項(xiàng)已被其它操作封鎖，則把申請(qǐng)封鎖操作置于該數(shù)據(jù)項(xiàng)的封鎖等待隊(duì)列中。在寫入操作完成以后，調(diào)度程序自動(dòng)釋放寫封鎖，釋放讀封鎖需要專用的釋放操作，它可以和寫入操作同時(shí)發(fā)出。寫入操作標(biāo)志著壓縮階段的開始。當(dāng)某一事務(wù)處理釋放了它的讀寫封鎖后；以先進(jìn)先出

11、的方式處理在等待隊(duì)列上的其他事務(wù)處理的讀寫封鎖的請(qǐng)求。在數(shù)據(jù)項(xiàng)有多個(gè)副本的情況下，假設(shè)邏輯數(shù)據(jù)項(xiàng)x有副本x1, x2, , xn，對(duì)于讀操作，事務(wù)處理可以讀任何一個(gè)副本，因此只需要獲得它實(shí)際執(zhí)行讀操作的那個(gè)副本上的讀封鎖。對(duì)于寫操作，需要修改數(shù)據(jù)項(xiàng)的所有副本，必須要獲得所有副本上的寫封鎖。主副本型的兩相封鎖法 本方法專用于處理邏輯數(shù)據(jù)項(xiàng)有多個(gè)副本的情況，每個(gè)邏輯數(shù)據(jù)項(xiàng)的一份副本被指定為主副本，事務(wù)處理在訪問邏輯數(shù)據(jù)項(xiàng)的任何副本以前，必須在主副本上獲得所需的封鎖。 對(duì)于讀封鎖，本方法比基本型的兩相封鎖法有更多的通信開銷，當(dāng)事務(wù)處埋希望讀出的副本不是主副本時(shí)，它必須與二個(gè)DM通信。一個(gè)是存放主副本

12、的DM，另一個(gè)是要讀出的副本所在的DM，而在基本型兩相封鎖法中，只要和要讀出的副本所在的DM通信。當(dāng)事務(wù)處理所在的TM與要讀出的副本所在的DM在同一個(gè)計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)時(shí)，增加的開銷是很大的。對(duì)于寫封鎖，主副本型兩封相鎖法比基本型的封鎖開銷要少。在基本型算法中，事務(wù)處理要向具有副本的所有結(jié)點(diǎn)發(fā)出封寫鎖請(qǐng)求，而在主副本型算法中，只要向主副本所在結(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求。投票表決型兩相封鎖法 投票表決型兩相封鎖法也是用于多副本的系統(tǒng)中的一種同步算法。當(dāng)事務(wù)T要對(duì)x發(fā)出寫入請(qǐng)求時(shí)，把請(qǐng)求發(fā)往持有x的副本的所有DM，DM檢查本數(shù)據(jù)庫中x的副本情況，如果x已被封鎖，則發(fā)回“封鎖受到阻塞”的信號(hào)；如果x沒有被封鎖，則對(duì)x加鎖

13、，并發(fā)回“封鎖已設(shè)置”信號(hào)，事務(wù)T對(duì)“封鎖已設(shè)置”的響應(yīng)信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)數(shù)量過半，則認(rèn)為全部封鎖均已設(shè)置，如數(shù)量不足半數(shù)，它將等待發(fā)出“封鎖受到阻塞”的DM在x被解鎖以后發(fā)回“封鎖已設(shè)置”的信號(hào)。只要不出現(xiàn)死鎖，它最終將收到足夠的“封鎖已設(shè)置”信號(hào)而繼續(xù)工作。 集中型兩相封鎖法集中型兩相封鎖法把管理數(shù)據(jù)項(xiàng)封鎖的調(diào)度程序全部集中在一個(gè)結(jié)點(diǎn)上，在讀寫任何結(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)以前，必須從中心結(jié)點(diǎn)的調(diào)度程序獲得相應(yīng)的封鎖。這個(gè)算法非常相似于主副本型的兩相封鎖法，相當(dāng)于把所有數(shù)據(jù)項(xiàng)的主副本都集中在中心結(jié)點(diǎn)上，故很容易在中心結(jié)點(diǎn)構(gòu)成通信和封鎖操作的瓶頸。它的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單。3. 本人對(duì)相關(guān)內(nèi)容的體會(huì) 多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行

14、時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)各類系統(tǒng)資源的最大需求和類系統(tǒng)的剩余資源為進(jìn)程安排安全序列，使得系統(tǒng)能快速且安全地運(yùn)行進(jìn)程，不至發(fā)生死鎖。銀行家算法是避免死鎖的主要方法，其思路在很多方面都非常值得我們來學(xué)習(xí)借鑒。銀行家算法（1）如果Requestior =Need,則轉(zhuǎn)向步驟(2)；否則，認(rèn)為出錯(cuò)，因?yàn)樗枰馁Y源數(shù)已超過它所宣布的最大值。（2）如果Requestor=Available,則轉(zhuǎn)向步驟（3）；否則，表示系統(tǒng)中尚無足夠的資源，進(jìn)程必須等待。（3）系統(tǒng)試探把要求的資源分配給進(jìn)程Pi,并修改下面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)值： Available=Available-Requesti; Allocation=Allo

15、cation+Request; Need=Need-Request;(4) 系統(tǒng)執(zhí)行安全性算法，檢查此次資源分配后，系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)。2.安全性算法系統(tǒng)所執(zhí)行的安全性算法可描述如下：設(shè)置兩個(gè)向量 工作向量Work，它表示系統(tǒng)可以提供給進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行所需的各類資源數(shù)目，它含有m個(gè)元素，在執(zhí)行安全算法開始時(shí)，Work：=Available。 Finish，它表示系統(tǒng)是否有足夠的資源分配給進(jìn)程，使之運(yùn)行完成。開始時(shí)先做Finishi：=FALSE；當(dāng)有足夠資源分配給進(jìn)程時(shí)，再令Finishi：=TRUE。從進(jìn)程集合中找到一個(gè)能滿足下述條件的進(jìn)程： Finishi=FALSE； NeedI,jor=

16、Workj;若找到，執(zhí)行步驟（3），否則，執(zhí)行步驟（4）。當(dāng)進(jìn)程Pi獲得資源后，可順利執(zhí)行，直至完成，并釋放出分配給它的資源，故應(yīng)執(zhí)行：Workj：=Workj+Allocationi，j；Finishi：=TRUE；Go to step 2； 如果所有進(jìn)程的Finishi=TRUE都滿足，則表示系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；否則，系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。4.課程設(shè)計(jì)過程中對(duì)相應(yīng)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)思路 先對(duì)用戶提出的請(qǐng)求進(jìn)行合法性檢查，即檢查請(qǐng)求是否大于需要的，是否大于可利用的。若請(qǐng)求合法，則進(jìn)行預(yù)分配，對(duì)分配后的狀態(tài)調(diào)用安全性算法進(jìn)行檢查。若安全，則分配；若不安全，則拒絕申請(qǐng)，恢復(fù)到原來的狀態(tài)，拒絕申請(qǐng)。銀行

17、家算法步驟：1如果Requestior =Need,則轉(zhuǎn)向步驟（2）；否則，認(rèn)為出錯(cuò)，因?yàn)樗枰馁Y源數(shù)已超過它所宣布的最大值。2如果Requestor=Available,則轉(zhuǎn)向步驟（3）否則，表示系統(tǒng)中尚無足夠的資源，進(jìn)程必須等待。3系統(tǒng)試探把要求的資源分配給進(jìn)程Pi,并修改下面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)值：Available=Available-Requesti; 4系統(tǒng)執(zhí)行安全性算法，檢查此次資源分配后，系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)。5. 讀書工程心得總結(jié) 通過學(xué)習(xí)我理解到，多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)各類系統(tǒng)資源的最大需求和各類系統(tǒng)的剩余資源為進(jìn)程安排安全序列，使得系統(tǒng)能快速且安全地運(yùn)行進(jìn)程，不至發(fā)生

18、死鎖。銀行家算法是避免死鎖的主要方法，其思路在很多方面都非常值得我們來學(xué)習(xí)借鑒。 死鎖的產(chǎn)生是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過程中，因爭(zhēng)奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進(jìn)下去。此時(shí)稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程稱為死鎖進(jìn)程。由于資源占用是互斥的，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程提出申請(qǐng)資源后，使得有關(guān)進(jìn)程在無外力協(xié)助下，永遠(yuǎn)分配不到必需的資源而無法繼續(xù)運(yùn)行，這就產(chǎn)生了一種特殊現(xiàn)象死鎖。我覺得操作系統(tǒng)所講的死鎖就好像兩個(gè)人竟過獨(dú)木橋，兩輛車竟過單行橋等阻塞現(xiàn)象，原因是共享資源，即道路。 為提高系統(tǒng)資源的利用率，避免死鎖并不嚴(yán)格限制死鎖必要條件的存在，而是在資源的動(dòng)態(tài)分配過程中，使用某種方法去防止系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)，從而避免死鎖的最終出現(xiàn)。然而，最有代表性的避免死鎖的算法，是Dijkstra的銀行家算法。在該方法中把系統(tǒng)的狀態(tài)分為安全狀態(tài)和不安全狀態(tài)，只要能使系統(tǒng)始終都處于安全狀態(tài)，便可以避免