操作系統(tǒng)第二章 作業(yè)管理

操作系統(tǒng)第二章作業(yè)管理命令調(diào)用方式命令形式內(nèi)部命令系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)與操作系統(tǒng)一起裝入內(nèi)存——OS的一部分例DOS：Type,Dir,copy,……Windows:資源管理器中的菜單、按鈕，……外部命令以文件形式存放，調(diào)用時(shí)裝入內(nèi)存例DOS：Edit,……Windows:桌面上的圖標(biāo)，快捷方式（圖標(biāo)），……使用命令的方式聯(lián)機(jī)方式：?jiǎn)蝹€(gè)命令，以交互方式通過OS與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行會(huì)話優(yōu)點(diǎn)：用戶直接參與控制，靈活不足：重復(fù)輸入命令，繁瑣且效率低脫機(jī)方式：批命令，使用批處理命令或由命令編寫的批處理文件優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)按批處理要求自動(dòng)執(zhí)行，用戶不干預(yù)，效率高不足：不便于及時(shí)調(diào)整要執(zhí)行的命令集合，靈活性差系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的含義系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)為編程人員提供的接口，各種操作系統(tǒng)的核心中都設(shè)計(jì)有一組一組的用于實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的子程序作為機(jī)器指令的擴(kuò)充。系統(tǒng)將這些子程序“開放”給用戶，方便用戶可靠地調(diào)用系統(tǒng)有關(guān)的資源，而用戶不必從頭熟悉或重新編寫子程序。每當(dāng)用戶在程序中需要操作系統(tǒng)提供某種服務(wù)是，便可利用一條條相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用命令，去調(diào)用所需的系統(tǒng)過程。例DOS：庫(kù)函數(shù)，……Windows:API，……系統(tǒng)調(diào)用的分類（書P32）設(shè)備管理文件管理進(jìn)程管理進(jìn)程通信存儲(chǔ)管理調(diào)用中的幾個(gè)概念陷入（訪管）指令—把由于系統(tǒng)調(diào)用引起的處理機(jī)中斷的指令稱為陷入（訪管）指令。用戶態(tài)（目態(tài)）——處理機(jī)在用戶程序中執(zhí)行系統(tǒng)態(tài)（管態(tài)）——處理機(jī)在系統(tǒng)程序中執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的處理過程訪管指令有“參數(shù)區(qū)”、“參數(shù)”和“操作數(shù)”組成?！安僮鲾?shù)”用來表示請(qǐng)求操作系統(tǒng)所要干的工作，并說明是否要有參數(shù)區(qū)和具體參數(shù)。參數(shù)或參數(shù)區(qū)的首址通常約定放在某個(gè)通用寄存器中CPU執(zhí)行到“訪管”指令時(shí)，將“訪管”指令存入主存中的約定單元，然后產(chǎn)生“訪管”中斷，根據(jù)參數(shù)區(qū)、參數(shù)和操作數(shù)引出操作系統(tǒng)來處理“訪管”中的具體要求。用戶程序陷入處理機(jī)構(gòu)系統(tǒng)子程序用戶接口（界面）的發(fā)展用戶界面的發(fā)展第一代用戶界面為一維界面，主要有命令行界面和編程人員在程序中的系統(tǒng)調(diào)用，如DOS及UNIX均采用此種界面方式。第二代用戶界面為二維界面又稱為圖形界面，以窗口（windows）,圖標(biāo)（icon）、菜單（menu）為典型特征，由APPLE公司開創(chuàng)，以Microsoft公司的MS-Windows為里程碑，在UNIX系統(tǒng)下有X-window。第三代用戶界面為三維界面，又稱為虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality），如三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)、可視電話及網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議等。界面管理的任務(wù)作為面向最終用戶的“作業(yè)”管理來看，用戶界面已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與心理學(xué)、圖形藝術(shù)和人類學(xué)的交叉研究領(lǐng)域。尋求最佳的人機(jī)通信方式已是多媒體、虛現(xiàn)實(shí)和科學(xué)計(jì)算、可視化等技術(shù)所追求的目標(biāo)，也是界面管理的、最終任務(wù)?！?、作業(yè)的概念作業(yè)（job）用戶角度我們把一次應(yīng)用業(yè)務(wù)處理過程中，從輸入開始到輸出結(jié)束，用戶要求計(jì)算機(jī)所做的有關(guān)該次業(yè)務(wù)處理的全部工作稱為一個(gè)作業(yè)。系統(tǒng)角度從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度看，作業(yè)是一個(gè)比程序更廣的概念，它由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書三部分組成。系統(tǒng)通過作業(yè)說明書控制文件形式的程序和數(shù)據(jù)，使之操作和執(zhí)行。在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)是搶占內(nèi)存的基本單位。也就是說，批處理系統(tǒng)是以作業(yè)為單位把程序和數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存以便執(zhí)行的。作業(yè)步（jobsteps）用戶把要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做的一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的工作叫做一個(gè)作業(yè)步。例如圖中，編譯、鏈接、執(zhí)行就是作業(yè)步。作業(yè)由不同的順序相連的作業(yè)步組成，一般來說，每一個(gè)作業(yè)產(chǎn)生下一個(gè)作業(yè)步的輸入文件。作業(yè)同步（jobsynchronization）所謂作業(yè)同步是指在一個(gè)作業(yè)中，下一個(gè)作業(yè)步能否執(zhí)行下去，取決于前一個(gè)作業(yè)步是否成功完成。作業(yè)流（jobstream）在系統(tǒng)控制下，將一批作業(yè)依此輸入到后援存儲(chǔ)器中等待運(yùn)行，這樣就形成了一個(gè)作業(yè)流。作業(yè)類型（jobtype）用戶作業(yè)分為兩大類批量型作業(yè)可分為兩種，利用作業(yè)說明書實(shí)行自動(dòng)控制方式的作業(yè)稱為脫機(jī)作業(yè)；利用控制臺(tái)鍵盤操作命令直接控制的作業(yè)稱為聯(lián)機(jī)作業(yè)。終端型作業(yè)又稱為交互型或會(huì)話型作業(yè)，通常在分時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，用戶在終端上利用鍵盤命令控制和監(jiān)督作業(yè)的運(yùn)行，而系統(tǒng)把作業(yè)運(yùn)行的情況和結(jié)果也及時(shí)反饋在用戶終端上。在大型的操作系統(tǒng)中，常把終端用戶作業(yè)稱為“前臺(tái)”作業(yè)，把批量型作業(yè)稱為“后臺(tái)”作業(yè)。作業(yè)說明書作業(yè)說明書主要包括三方面的內(nèi)容，即作業(yè)的基本描述、作業(yè)控制描述和資源要求，它由系統(tǒng)提供的控制命令及相關(guān)參數(shù)并按規(guī)定的語(yǔ)法書寫作業(yè)基本情況描述

用戶名

作業(yè)名

使用語(yǔ)言名

允許最大處理時(shí)間

等等作業(yè)控制描述

控制方式

操作順序

出錯(cuò)處理

等等作業(yè)資源要求描述

要求處理時(shí)間

內(nèi)存空間

外存類型和數(shù)量

處理機(jī)優(yōu)先級(jí)

庫(kù)函數(shù)或?qū)嵱贸绦?/p>

等等作業(yè)輸入方式聯(lián)機(jī)輸入方式聯(lián)機(jī)輸入方式大多用于交互式系統(tǒng)中，用戶和系統(tǒng)通過交互會(huì)話方式輸入作業(yè)。近年來由于多媒體技術(shù)（Multi-Media）的發(fā)展，逐步形成了手寫輸入、語(yǔ)音輸入、光電輸入等輸入方式。脫機(jī)輸入方式脫機(jī)輸入方式又稱為預(yù)處理方式，脫機(jī)輸入方式利用低檔個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行輸入處理。在低檔個(gè)人機(jī)上，用戶通過聯(lián)機(jī)方式把作業(yè)首先輸入到后援存儲(chǔ)器，如磁盤或磁帶上；然后，用戶把裝有輸入數(shù)據(jù)的后援存儲(chǔ)器拿到主機(jī)的高速外圍設(shè)備上和主機(jī)相連，從而在較短的時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)的輸入。脫機(jī)輸入方式的優(yōu)點(diǎn)是解決了作業(yè)的快進(jìn)快出，相應(yīng)提高了CPU的利用率。但其缺點(diǎn)也是明顯的，主要有：需要人工干預(yù)，出錯(cuò)率受人的因素影響增加了作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間不易實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法直接藕合方式它用一個(gè)大容量的共用存儲(chǔ)器，把多臺(tái)用作輸入的低檔機(jī)、共用存儲(chǔ)器和主機(jī)固定連接起來，保留了脫機(jī)輸入方式的優(yōu)點(diǎn)，又克服了該方式需人工干預(yù)的缺點(diǎn)。低檔ＰＣ機(jī)低檔ＰＣ機(jī)共用存儲(chǔ)器主機(jī)假脫機(jī)輸入方式假脫機(jī)技術(shù)(SPOOLing或SPOOLer)SPOOLing技術(shù)實(shí)際上是一種外圍設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作技術(shù)（simultaneousperipheraloperationon-line）的縮寫。又稱為排隊(duì)轉(zhuǎn)儲(chǔ)技術(shù)。工作原理SPOOLing系統(tǒng)既不同于脫機(jī)方式，也不同于直接藕合方式。它在輸入和輸出之間增加了“輸入井”和“輸出井”的排隊(duì)轉(zhuǎn)儲(chǔ)環(huán)節(jié)，以消除用戶的“聯(lián)機(jī)”等待時(shí)間。在系統(tǒng)輸入模塊收到作業(yè)輸入請(qǐng)求信號(hào)后，輸入管理模塊中的讀過程負(fù)責(zé)將信息從輸入裝置中讀入輸入井緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，由寫過程將信息從緩沖區(qū)寫到外存的輸入井中，讀過程和寫過程反復(fù)循環(huán)，直到一個(gè)作業(yè)輸入完畢。當(dāng)讀過程讀到一個(gè)硬件結(jié)束標(biāo)志之后，系統(tǒng)再次驅(qū)動(dòng)寫過程把最后一批信息寫入外存輸入井并調(diào)用中斷處理程序結(jié)束該次輸入。然后，系統(tǒng)為該作業(yè)建立作業(yè)控制塊，從而使輸入井中的作業(yè)進(jìn)入作業(yè)等待隊(duì)列，等待作業(yè)調(diào)度程序選中后進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行。系統(tǒng)在管理輸入井過程中可以“不斷”讀入輸入的作業(yè)，直到輸入結(jié)束或輸入井滿而暫停。外存

輸入井輸出井輸入裝置輸入裝置通道通道輸出裝置輸出裝置通道主機(jī)系統(tǒng)輸入管理模塊輸出管理模塊SPOOLING系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)輸入方式當(dāng)用戶需要從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中將一臺(tái)計(jì)算機(jī)的信息要求傳送到聯(lián)網(wǎng)的另一臺(tái)主機(jī)上進(jìn)行瀏覽（Browser）操作或執(zhí)行下載（Download）等任務(wù)要求時(shí)，就構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)輸入方式。主要涉及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)?！?、作業(yè)的管理和調(diào)度作業(yè)的狀態(tài)和處理流程作業(yè)從錄入到輸出在計(jì)算機(jī)中經(jīng)歷不同的階段，相應(yīng)地處于不同的狀態(tài)。狀態(tài)的變化反映了作業(yè)的處理流程見教材86頁(yè)圖4.1作業(yè)控制塊

-作業(yè)控制塊（JCB，JobControlBlock)是系統(tǒng)感知作業(yè)

存在的標(biāo)志作業(yè)控制塊的結(jié)構(gòu)作業(yè)在作業(yè)管理中是系統(tǒng)分配資源的基本單位，對(duì)收容狀態(tài)的作業(yè)調(diào)度算法確定何時(shí)開始執(zhí)行調(diào)度的層次處理機(jī)的調(diào)度一般可以分為4級(jí)：（1）作業(yè)調(diào)度（2）交換調(diào)度（3）進(jìn)程調(diào)度（4）線程調(diào)度作業(yè)調(diào)度功能采用作業(yè)控制塊（JCB）表格，記錄系統(tǒng)中各作業(yè)工作狀況；根據(jù)選定的調(diào)度算法，從后備作業(yè)中選出一部分（多道情況）或一個(gè)作業(yè)投入運(yùn)行；為被選中的作業(yè)做好運(yùn)行前的準(zhǔn)備，包括建立系統(tǒng)相應(yīng)的“進(jìn)程”執(zhí)行單元以及為這些“進(jìn)程”分配系統(tǒng)資源，首先判斷用戶的資源要求是否能夠滿足；作業(yè)處理后的善后處理工作，例如，回收資源和記帳等工作作業(yè)調(diào)度中狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程見書本89頁(yè)圖4.3調(diào)度算法設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)盡量大的吞吐量CPU保持忙I/O保持忙對(duì)所有類型的作業(yè)盡量公平設(shè)計(jì)調(diào)度算法要考慮的主要因素算法應(yīng)符合系統(tǒng)的總目標(biāo)資源使用均衡，系統(tǒng)效率盡量高保證進(jìn)入系統(tǒng)的作業(yè)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成常用的作業(yè)調(diào)度算法先來先服務(wù)（firstcomefirstserve,FCFS）作業(yè)執(zhí)行次序與作業(yè)進(jìn)入輸入井次序相同。優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單對(duì)相同的或均衡的作業(yè)較為合理缺點(diǎn)不利于運(yùn)行時(shí)間短的作業(yè)。最短作業(yè)優(yōu)先法（shortestjobfist,SJF）最短作業(yè)優(yōu)先法也就是選ti值小的優(yōu)先，也就是只考慮運(yùn)行時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)短作業(yè)得到了優(yōu)先執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的效率。缺點(diǎn)當(dāng)作業(yè)不斷進(jìn)入時(shí)，長(zhǎng)的作業(yè)有可能長(zhǎng)時(shí)間等待最高響應(yīng)比優(yōu)先法（highestresponse-rationext,HRN）最高響應(yīng)比優(yōu)先法（HRN）是對(duì)FCFS方式和SJF方式的一種綜合平衡。HRN調(diào)度策略調(diào)度同時(shí)考慮每個(gè)作業(yè)的等待時(shí)間長(zhǎng)短和估計(jì)需要的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)短，從中選出響應(yīng)比最高的作業(yè)投入執(zhí)行。響應(yīng)比或稱響應(yīng)系數(shù)比R定義下：R=（W+T）/T=1+W/T其中T為該作業(yè)估計(jì)需要的執(zhí)行時(shí)間，W為作業(yè)在后備狀態(tài)隊(duì)列中的等待時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)同時(shí)具有FCFS算法及SJF算法的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，每次調(diào)度前要對(duì)所有作業(yè)掃描一遍，比較以后再調(diào)度。算法評(píng)價(jià)作業(yè)i的周轉(zhuǎn)時(shí)間

Ti=作業(yè)完成時(shí)間-作業(yè)提交時(shí)間最短周轉(zhuǎn)時(shí)間=min{Ti}最長(zhǎng)周轉(zhuǎn)時(shí)間=max{Ti}平均周轉(zhuǎn)時(shí)間

平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間(wi0是權(quán)值，且

Wi=1)最后結(jié)束時(shí)間=max{作業(yè)完成時(shí)間}其中Wi=Ti/Tri,Tri為執(zhí)行時(shí)間例題:有5個(gè)作業(yè)，它們進(jìn)入后備作業(yè)隊(duì)列的到達(dá)時(shí)間如下所示，采用先來先服務(wù)的作業(yè)調(diào)度算法，求每個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間以及它們的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。作業(yè)達(dá)到時(shí)間所需CPU時(shí)間110．10．7210．30．5310．50．4410．60．4510．70．2解：按照先來先服務(wù)的作業(yè)調(diào)度算法，調(diào)度的順序?yàn)?，2，3，4，5，每個(gè)作業(yè)的完成時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間如下所示：作業(yè)到達(dá)時(shí)間所需CPU時(shí)間完成時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間110．10．710．80．7210．30．511．31310．50．411．71．2410．60．412．11．5510．70．212．31．6不難算出它們的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間是1.2。例題:有5個(gè)作業(yè)，它們進(jìn)入后備作業(yè)隊(duì)列的到達(dá)時(shí)間如下所示。采用最短作業(yè)優(yōu)先的作業(yè)調(diào)度算法，求每個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間以及它們平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。作業(yè)達(dá)到時(shí)間所需CPU時(shí)間110．10．7210．30．5310．50．4410．60．4510．70．2解：按照短作業(yè)優(yōu)先的作業(yè)調(diào)度算法，因?yàn)樽鳂I(yè)1首先到達(dá)，首先應(yīng)該調(diào)度作業(yè)1進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行，它的周轉(zhuǎn)時(shí)間T1是0.7。在它于CPU時(shí)間10.8完成時(shí)，作業(yè)2、3、4、5都已經(jīng)在后備隊(duì)列中等候，因此，此時(shí)的調(diào)度順序應(yīng)該是：5、3、4、2。作業(yè)5在時(shí)刻10.8進(jìn)入內(nèi)存，運(yùn)行0.2后結(jié)束，因此它的周轉(zhuǎn)時(shí)間T5=(完成時(shí)間-到達(dá)時(shí)間)=11.0-10.7=0.3，每個(gè)作業(yè)的完成時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間如下所示：作業(yè)到達(dá)時(shí)間所需CPU時(shí)間進(jìn)入內(nèi)存時(shí)間完成時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間110．10．710．110．80．7210．30．511．812．32310．50．411．011．40．9410．60．411．411．81．2510．70．210．811．00．3不難算出它們的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為1.02。

例題有4個(gè)作業(yè)，它們進(jìn)入后備作業(yè)隊(duì)列的到達(dá)時(shí)間如下圖所示，采用最高響應(yīng)比優(yōu)先算法，求每個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間以及它們的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。作業(yè)到達(dá)時(shí)間所需CPU時(shí)間18．0228．50．539．00．149．50．2解：剛開始，后備作業(yè)隊(duì)列中只有作業(yè)1，因此立即將它投入運(yùn)行，它于CPU時(shí)間10完成。開始重新調(diào)度時(shí)，作業(yè)2、3、4都已經(jīng)達(dá)到后備隊(duì)列。根據(jù)最高響應(yīng)比優(yōu)先的調(diào)度算法，應(yīng)該計(jì)算這一時(shí)刻這三個(gè)作業(yè)各自具有的響應(yīng)比。比如對(duì)于作業(yè)2，它是CPU時(shí)間8.5達(dá)到后備隊(duì)列的，現(xiàn)在是CPU時(shí)間10.0，它已經(jīng)等待了(10.0-8.5)=1.5。它所需的運(yùn)行時(shí)間是0.5。因此該時(shí)刻它的響應(yīng)比是1.5/0.5=3。下表給出了這一時(shí)刻三個(gè)作業(yè)各自的已等待時(shí)間和響應(yīng)比。由于這是作業(yè)3具有最高的響應(yīng)比，因此它是第2個(gè)調(diào)度的對(duì)象。作業(yè)到達(dá)時(shí)間所需CPU時(shí)間已等待時(shí)間響應(yīng)比28．50．51．5339．00．111049．50．20．52．5當(dāng)前CPU時(shí)間=10.0作業(yè)3在CPU時(shí)刻10.1運(yùn)行完畢，作業(yè)2和作業(yè)4是參與調(diào)度的對(duì)象，此時(shí)，它們的已等待時(shí)間和各自響應(yīng)比如下表所示?？梢钥闯觯@次選中的應(yīng)該是作業(yè)2，因?yàn)樗捻憫?yīng)比是3.2。作業(yè)到達(dá)時(shí)間所需CPU時(shí)間已等待時(shí)間響應(yīng)比28．50．51．63．249．50．20．63當(dāng)前CPU時(shí)間=10.1作業(yè)2在CPU時(shí)刻10.6完成.作后調(diào)度運(yùn)行的作業(yè)是作業(yè)4,它在CPU時(shí)刻10.8完成.于是,這4個(gè)作業(yè)的完成時(shí)間