大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課件1

第三章操作系統(tǒng)

tyutjsjjcb@126.com

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

FundamentalsofComputers

?太原理工大學(xué)理學(xué)院計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)部

中,

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)Fundamentalsof

Computers

主要內(nèi)容

3.1操作系統(tǒng)概述

3.2進(jìn)程管理

3.3存儲(chǔ)管理

3.4設(shè)備管理

3.5文件管理

3.6用戶接口

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Computers

3.1操作系統(tǒng)概述

3.1.1操作系統(tǒng)的基本概念

1.操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位(3)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)組成部分

沒有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)

安裝了操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通常稱為虛擬機(jī)(Virtual

Machine):裸機(jī)+操作系統(tǒng)=虛擬計(jì)算機(jī)

Fundamentalsof

操作系統(tǒng)是位于計(jì)算機(jī)硬件之上的第一層軟

件，它對(duì)計(jì)算機(jī)硬件做首次擴(kuò)充和改造。而操作

系統(tǒng)上層的其他軟件可以獲得較硬件所能提供的

更多的功能上的支持，為用戶提供更加友好的人

機(jī)界面。

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2.操作系統(tǒng)的定義（1）

操作系統(tǒng)是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，

合理組織計(jì)算機(jī)工作流程并方便用戶使用計(jì)算機(jī)的一

種系統(tǒng)軟件。

引入操作系統(tǒng)的目的：

（1）從系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)來看：操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)的資源管理者。

（2）從用戶的觀點(diǎn)來看：操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬

件之間的接口，操作系統(tǒng)為用戶使用計(jì)算機(jī)提供了一

個(gè)良好的界面。

（3）從發(fā)展的觀點(diǎn)看：操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能擴(kuò)

展的支撐平臺(tái)。

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3.操作系統(tǒng)的引導(dǎo)(4)

操作系統(tǒng)是一組非常重要的程序，其中的核心程序在

機(jī)器運(yùn)行當(dāng)中常駐內(nèi)存，另一部分程序放在輔助存

儲(chǔ)器中，需要的時(shí)候從外存調(diào)入內(nèi)存。

在計(jì)算機(jī)的電源接通，硬件開始工作后，首先必須把

操作系統(tǒng)的常駐內(nèi)核從磁盤裝入內(nèi)存，并且使它進(jìn)

入正常的工作狀態(tài)，這樣的一個(gè)過程稱為操作系統(tǒng)

的引導(dǎo)(SystemBooting)。

DOS操作系統(tǒng)的引導(dǎo)

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v

3.1.2操作系統(tǒng)的分類（3）

1.批處理操作系統(tǒng)

批處理操作系統(tǒng)能支持一批用戶程序預(yù)先輸入到計(jì)算機(jī)

中，然后由操作系統(tǒng)自動(dòng)依次執(zhí)行其中的作業(yè)，處理

完畢后將結(jié)果交給用戶。

批處理操作系統(tǒng)分為單道批處理操作系統(tǒng)和多道批處理

操作系統(tǒng)。

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2.分時(shí)操作系統(tǒng)

分時(shí)操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶在各自的終端上共同使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，

用戶可在各自的終端上輸入命令來控制計(jì)算機(jī)任務(wù)的執(zhí)行，也可

以從終端上了解計(jì)算機(jī)任務(wù)的執(zhí)行情況。

UNIX操作系統(tǒng)是世界上最著名的分時(shí)操作系統(tǒng)之一

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分時(shí)操作系統(tǒng)將處理器的時(shí)間劃分成許多片段，稱為

時(shí)間片（Timeslice,通常是幾十毫秒）。

操作系統(tǒng)以時(shí)間片為單位，把處理器輪流地分配給每

個(gè)終端用戶，每個(gè)用戶在不同時(shí)刻輪流使用處理器,

感覺上好像自己擁有一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)。

▲

用戶程序5―

用戶程序4。

用戶程序3<

用戶程序2<'

用戶程序2

A工

02Q406080100120140.

分時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)間片

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3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一種能在限定時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入（外部事

件）做出響應(yīng)并進(jìn)行快速處理的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

根據(jù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間限定的嚴(yán)格程度，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以

分為硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于工業(yè)生產(chǎn)的過程控制、航空

航天系統(tǒng)的跟蹤和控制、武器的制導(dǎo)等。

軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于如情報(bào)資料檢索、訂票系統(tǒng)、

銀行財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等。

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4.個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

從20世紀(jì)70年代中期到80年代早期，微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)

行的一般是單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)。例如：MS

DOS（Microsoft磁盤操作系統(tǒng)）的早期版本。

80年代以后到90年代初，微機(jī)操作系統(tǒng)開始支持單用

戶多任務(wù)和分時(shí)操作。例如：MSDOS的后期版本

90年代后，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件功能的急劇增加和用

戶對(duì)安全性、網(wǎng)絡(luò)功能的要求增強(qiáng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)操

作系統(tǒng)也從DOS轉(zhuǎn)向了通用操作系統(tǒng)Windows系列

和Unux系列。

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5.分布式操作系統(tǒng)

分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是若干計(jì)算機(jī)的集合，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都

有自己的局部存儲(chǔ)器、外部設(shè)備和一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，

用來實(shí)現(xiàn)對(duì)該計(jì)算機(jī)的基本控制，系統(tǒng)的其他部分則不

均勻地分布在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上，這樣它的處理和控制功能

及系統(tǒng)中的任務(wù)就可以動(dòng)態(tài)地分配到各個(gè)計(jì)算機(jī)去完成。

分布式操作系統(tǒng)就是為分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置的操作系

統(tǒng)。它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、信

息傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，并為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)

準(zhǔn)界面。

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V

6.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是為計(jì)算機(jī)組網(wǎng)而配置的操作系統(tǒng)，即

在通用操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

和協(xié)議所開發(fā)的軟件模塊，在這些軟件模塊及有關(guān)網(wǎng)

絡(luò)硬件的支持下，計(jì)算機(jī)可以互聯(lián)成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中

的計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)通信和資源共享等功能。

工作站

I____________、罕

通信介質(zhì)]I[工

作

—I帖

丁

后修一里務(wù)普廛，

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操作系統(tǒng)種類繁多，但基本目的只有一個(gè)：即要實(shí)現(xiàn)在不

同環(huán)境下為不同應(yīng)用目的提供不同形式和不同效率的資源

管理，以滿足不同用戶的操作需要。

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3.1.3操作系統(tǒng)的特征與功能（2）

1.操作系統(tǒng)的特征

并發(fā)性

并發(fā)是兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。

對(duì)于程序而言，并發(fā)也就是多道程序在同一時(shí)間間隔內(nèi)同時(shí)執(zhí)

行。

對(duì)于單處理器系統(tǒng)而言，程序并發(fā)執(zhí)行實(shí)際上是多道程序在一

個(gè)很小的時(shí)間段內(nèi)交替執(zhí)行。從宏觀上看，他們似乎是在同

時(shí)進(jìn)行，即并發(fā)執(zhí)行的。

共享性

共享性就是資源共享，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟、硬件資源供所有

授權(quán)程序或用戶共同使用。

程序并發(fā)執(zhí)行必然依賴于資源共享機(jī)制的支持。

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虛擬性

虛擬是指將一個(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)椋ㄓ成錇椋┮粋€(gè)或者

多個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。

虛擬處理機(jī)、虛擬存儲(chǔ)器、虛擬設(shè)備等。

虛擬特征使物理特征不同的同類設(shè)備呈現(xiàn)給用戶的是同

樣的操作界面和運(yùn)行環(huán)境，從而方便了用戶的使用。

不確定性

在操作系統(tǒng)中，不確定性有兩層含義：

程序執(zhí)行的結(jié)果不確定。這是不允許出現(xiàn)的，必須在設(shè)

并用手以解決。

系統(tǒng)中的程序在何時(shí)執(zhí)行，各自執(zhí)行的順序、運(yùn)行所需

的時(shí)間都是不確定的，也是不可預(yù)知的。操作系統(tǒng)允

許這種不確定性。

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操作系統(tǒng)的作用

操作系統(tǒng)的主要作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是管理計(jì)算機(jī)；OS用來更有效地管理和分配系統(tǒng)的硬、

軟件資源，使得其能夠發(fā)揮更大的作用。

二是使用計(jì)算機(jī)；用戶通過OS,無需了解計(jì)算機(jī)軟、硬件

的有關(guān)細(xì)節(jié)就能方便地使用計(jì)算機(jī)。

“管家婆”兼“服務(wù)員”，就是操作系統(tǒng)所扮演的一

身二任的角色。

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、p

2.操作系統(tǒng)的功能

進(jìn)程管理（處理器管理）

進(jìn)程是指程序的一次執(zhí)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的單位。

處理器的分配主要是按進(jìn)程進(jìn)行的，即通過對(duì)進(jìn)程的管理和調(diào)度來有效

地提高處理器的效率，使處理器的資源得到最充分的利用。

存儲(chǔ)管理

對(duì)主存資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，使多個(gè)用戶能夠分享有效的主存資源，以及

存儲(chǔ)在主存中的數(shù)據(jù)和程序。即進(jìn)行多道程序在內(nèi)存中的分配、信息保

護(hù)、地址變換和容量擴(kuò)充等功能。

設(shè)備管理

對(duì)各種I/O設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理、統(tǒng)一使用，以便充分發(fā)揮他們的效率并屏

蔽各種設(shè)備的物理特性，向用戶提供一個(gè)使用方便的操作界面。

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文件管理

采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的方法對(duì)文件進(jìn)行相應(yīng)的管理，使其能方便地存

儲(chǔ)、檢索、更新、共享和保護(hù)，并為用戶提供一整套操作和使用

的方法。

許多操作系統(tǒng)中把I/O設(shè)備也看作是“文件”，稱為設(shè)備文件。

用戶接口

用戶操作計(jì)算機(jī)的界面稱為用戶接口（或用戶界面）。

用戶接口為用戶提供一個(gè)使用計(jì)算機(jī)的環(huán)境、手段和方法，以便

用戶靈活的使用操作系統(tǒng)提供的各種服務(wù)。

操作系統(tǒng)

用戶接口

設(shè)備管理存儲(chǔ)器管理I夕e理囂首回文件管理

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3.1.4典型操作系統(tǒng)簡介（4）

1.MSDOS操作系統(tǒng)

是美國Microsoft公司為16位字長計(jì)算機(jī)開發(fā)的、基

于字符（命令行）方式的單用戶、單任務(wù)的個(gè)人計(jì)

算機(jī)OS。

2.Windows操作系統(tǒng)

是Microsoft開發(fā)的一個(gè)多任務(wù)的OS,它采用圖形窗口

界面，使用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的各種復(fù)雜操作只需通過點(diǎn)

擊鼠標(biāo)即可輕松地實(shí)現(xiàn)。

有代表性的版本：Windows95>Windows98>

WindowsNT、Windows2000、WindowsXP

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Computers

-J

3.UNIX操作系統(tǒng)

是通用、交互式、多用戶、多任務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域的主流

OS之一，是被業(yè)界公認(rèn)的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的OS。UNIX也

是目前唯一能在各種類型計(jì)算機(jī)的各種硬件平臺(tái)上穩(wěn)

定運(yùn)行的OS。

4.Linux操作系統(tǒng)

是20世紀(jì)90年代推出的一個(gè)多用戶、多任務(wù)的OS。

它與UNIX完全兼容，具有UNIX最新的全部功能和特

性。Linux的設(shè)計(jì)是為了在Intel微處理器上更有效的運(yùn)

行。它的最大特點(diǎn)在于它是一個(gè)源代碼公開的免費(fèi)

OS,其內(nèi)核源代碼可以免費(fèi)傳播。

21

+*“皆如苴工山Fundamentalsof

大于計(jì)算機(jī)基磁2進(jìn)程管財(cái)1Pliters

3.2.1進(jìn)程的概念

1.為什么要引入進(jìn)程(Process)(3)

操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程的目的是為了實(shí)現(xiàn)程序的并發(fā)執(zhí)行

及系統(tǒng)資源的共享利用。

?程序是一些有意義指令的有序集合。程序的執(zhí)行可分為順序執(zhí)

行和并發(fā)執(zhí)行兩種方式。

?在多道程序處理環(huán)境中，如果有多個(gè)程序段同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)

行，且它們的執(zhí)行時(shí)間是重疊的，稱這幾個(gè)程序段是并發(fā)執(zhí)行

的。

?程序之間可以共享資源，也存在著資源的競爭使用，暫時(shí)沒有

得到資源的程序必須等待。靜態(tài)的程序概念難以反映程序動(dòng)

態(tài)、并發(fā)的執(zhí)行活動(dòng)。

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Computers

進(jìn)程的特征（2）

進(jìn)程的概念：進(jìn)程是一個(gè)具有獨(dú)立功能可并發(fā)執(zhí)行的程

序在其數(shù)據(jù)集上的一次運(yùn)行，它是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源

分配的基本單元。

進(jìn)程的特征：

動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程的實(shí)質(zhì)是特定程序的一次動(dòng)態(tài)運(yùn)行過

程。動(dòng)態(tài)性是進(jìn)程最基本也是最本質(zhì)的特征。

并發(fā)性：多道程序系統(tǒng)內(nèi)可以同時(shí)存在一個(gè)程序甚

至多個(gè)程序的多個(gè)進(jìn)程，他們并發(fā)地執(zhí)行。

獨(dú)立性：進(jìn)程能獨(dú)立地申請(qǐng)系統(tǒng)資源，獨(dú)立地被系

統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行，可以完成相對(duì)獨(dú)立的功能。

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1Computers■

異步性：各進(jìn)程的執(zhí)行進(jìn)度（指何時(shí)執(zhí)行、何時(shí)暫

停、何時(shí)進(jìn)行I/O等）或推進(jìn)速度是異步的，與同

時(shí)駐留內(nèi)存的其他進(jìn)程有關(guān)。

結(jié)構(gòu)特征：系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記

錄與該進(jìn)程有關(guān)的狀態(tài)信息。人們借此感知進(jìn)程

的存在、運(yùn)行和變化

交互性：進(jìn)程在執(zhí)行過程中可能與其他進(jìn)程產(chǎn)生直

接或間接的關(guān)系。

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3.進(jìn)程與程序的區(qū)別和聯(lián)系（2）

區(qū)另I」：

進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的，程序是靜態(tài)的。

進(jìn)程是暫時(shí)的，程序是永久的。

進(jìn)程具有并發(fā)特征，而程序沒有。

聯(lián)系：

通過多次執(zhí)行，一個(gè)程序可對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程。

通過調(diào)用關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程可包括多個(gè)程序進(jìn)程，可創(chuàng)建

其他進(jìn)程，而程序并不能形成新的程序。

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4.線程(Thread)(3)

為什么要在進(jìn)程中建立線程？

為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，減少處理器的空轉(zhuǎn)和調(diào)度切換(保

護(hù)現(xiàn)場(chǎng)信息)的時(shí)間，使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。

線程的概念

進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)基本調(diào)度單位或進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)執(zhí)行單位

線程基本上不擁有系統(tǒng)資源，只擁有少量在運(yùn)行中必不可少的

資源，如程序計(jì)數(shù)器、寄存器和棧，因而線程也稱為輕量級(jí)進(jìn)

程(LWP,LightweightProcess)。

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進(jìn)程和線程的比較

資源：進(jìn)程是擁有資源的獨(dú)立單位，線程不能申

請(qǐng)系統(tǒng)資源，而共享其所屬進(jìn)程的全部資源。

調(diào)度：在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程既是擁有資源

的基本單位，又是獨(dú)立調(diào)度的基本單位，而在引

入線程的操作系統(tǒng)中，線程是獨(dú)立調(diào)度的基本單

位，進(jìn)程才是擁有資源的基本單位，

并發(fā)性：在引入線程的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程之間及

同屬于一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程之間都可并發(fā)執(zhí)行。

系統(tǒng)開銷：線程的創(chuàng)建、撤銷及切換開銷遠(yuǎn)小于

進(jìn)程操作的開銷。線程的同步和通信也比較容易。

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5.Windows操作系統(tǒng)中進(jìn)程和線程的運(yùn)行(3)

例3-1執(zhí)行兩次記事本、一次計(jì)算器和一次Word應(yīng)用程序,

然后觀察任務(wù)管理器中應(yīng)用程序、進(jìn)程和線程的變化情況。

烏Vlndovs任務(wù)管理春

文件(E)選項(xiàng)(Q)查看9關(guān)機(jī)@)幫助(M)

應(yīng)用程序進(jìn)程性能聯(lián)網(wǎng)H戶

映像名稱用戶名CPU內(nèi)存使用線程數(shù)八

tomcatS.exeSYSTEM0020,5

svchost.exeSYSTEM001,41

Rtvxcan.exeSYSTEM002,13

n?ysqld-nt.exeSYSTEM004

MDMEXESYSTEM003

DefWatch.exeSYSTEMLIU3

CDANTSRV.EXESYSTEM0012

spoolsv.exeSYSTEM002,04812

explorerexejxri215,26814

svchost.exeLOCALSERVICE001,0165

svchost.exeNETWORKSERVICE0063667

svchost.exeSYSTEM008,1728

svchost.exeSYSTEMLUj1,31619

IsassexeSYSTEM0092016

services.exeSYSTEMHlj1,48819

winlogon,exeSYSTEM001,2569

csrss.exeSYSTEM005,644

口顯示所有用戶的進(jìn)程啜)I結(jié)束迸程面一|

進(jìn)程數(shù)：25CPU使用：5%提交更改：226808K/622336K

圖3-3(a)任務(wù)管理器中應(yīng)用程序列表圖3-3(b)任務(wù)管理器中進(jìn)程列表28

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Computers

與findovs任務(wù)管理:SBE?與findovs任務(wù)管理器

文件電)選項(xiàng)電)查看9關(guān)機(jī)a)幫助㈤

及用程序進(jìn)程：性而I聯(lián)網(wǎng)用戶

f像名稱_用戶名CPU線程數(shù)A

5團(tuán)792K

,^mwoRD.mCIO7

幻212K

calc,exe00％216K1

notepad,exe00s204K1

notepad,exe00c1

i00K

Ijx02313

212K

ULCDRSvrexeSYSTEMLinL412K2

svchost.exeSYSTEMLIU960K5

乙

Rtvscan.exeSYSTEMIJU348K41

mysqld-ntexeSYSTEM00796K13

MDM.EXESYSTEM0080K4

DefWatch.exeSYSTEM0072K3

CDAHTSRV.EXESYSTEM00Z060K3

spoolsv.exeSYSTEM00080K12

瓦

explorerexejx00016K10

，

svchost.exeIJ3CALSERVICEIjlj624K14

svchost.exeNETWORKSERVICELiu204K4

的

svchost.exeSYSTEM0066v

<>

□顯示所有用戶的進(jìn)程6)|結(jié)束進(jìn)程Q)|

進(jìn)程數(shù)：28CPU使用：4%提交更改：227860K/622336K

圖3-4(a)執(zhí)行應(yīng)用程序后的列表圖3-4(b)相應(yīng)的進(jìn)程列表

29

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)Fundamentalsof

Computers

3.2.2進(jìn)程控制（3）

所渭進(jìn)程控制，就是系統(tǒng)使用一些具有特定功能的程序段來創(chuàng)建、撤

銷進(jìn)程以及完成進(jìn)程各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到多進(jìn)程高效率并發(fā)執(zhí)

行和實(shí)現(xiàn)資源共享的目的。

1.進(jìn)程的狀態(tài)

進(jìn)程在其生存周期內(nèi)，其執(zhí)行過程是間斷性的，因此進(jìn)程狀態(tài)是不斷

變化的。

運(yùn)行狀態(tài)：是指當(dāng)一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)獲得所有資源并在處理器上運(yùn)行的

狀態(tài)。

就緒狀態(tài)：是指當(dāng)一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)獲得除處理器外的所有資源時(shí)所處

的狀態(tài)。

阻塞狀態(tài)：是指進(jìn)程在等待某事件的發(fā)生（如等待輸入/輸出、申請(qǐng)

緩沖空間或等待其他進(jìn)程給它發(fā)送消息）而暫時(shí)不能執(zhí)行的時(shí)候

所處于的狀態(tài)。

創(chuàng)建狀態(tài)：是指進(jìn)程正在創(chuàng)建過程中，還沒有送入到就緒隊(duì)列的狀

5^o

退出狀態(tài)：是指進(jìn)程已結(jié)束運(yùn)行，但還未撤銷時(shí)所處的狀態(tài)。30

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進(jìn)程的狀態(tài)及其變化

31

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Computers

、