第三章 用户接口与作业管理

用户如何把自己的请求告诉计算机

计算机接到用户请求后如何处理，如何为用户服务 3.1 概述

3.1.1 程序的启动和结束

例子：

程序的执行（启动和结束）

硬件知识：

程序开始执行的两个前提条件

程序已装入内存

程序计数器PC：该程序在内存的入口地址

五种启动程序执行的方式 第一种方式：命令方式

命令提示符下打入程序名和参数，回车 c>，$，%

命令解释程序（命令解释器，作业管理程序，作业控制程序，SHELL） command.com （根目录下）

SHELL （BSH，CSH，KSH…）

在Windows中，命令方式是以窗口菜单显示和鼠标操作来体现的。

第二种方式：批处理方式

.BAT 文件

例子：启动中文环境需要多条命令：

装入字库 启动主程序

装入汉字输入法

AUTOEXEC.BAT

将若干条命令放在一个文件中，在提示符后打入该文件的名字，由计算机自动连续执行该文件的这组命令。

第三种方式： EXEC方式

在一个程序中运行另一个程序， 再返回原来的程序。

第四种方式：

由硬件装入程序和启动程序执行

早期计算机：用户把装有可执行目标程序的纸带（或卡片）安装到纸带（或卡片）输入机上；按机器面板上的一个特定按钮（“装入程序并启动执行”）；硬件将纸带上的内容顺序读入内存，直至纸带上的一个特殊的程序结束标记为止；然后硬件开始从内存零地址处执行程序。

第五种方式：自启程序

• 自己装入自己，并启动自己开始执行的程序 • 自启程序由两部分组成 • 引导程序和程序主体

引导程序

在外设设备的起始位臵上顺序存放，开机时由硬件自动装入并启动，或ROM中放一个引导程序，则不必装入而可以直按启动。即开机时硬件自动从ROM中该引导程序的起始地址开始执行它。

由引导程序装入启动程序主体

程序的结束

– 正常结束：程序按自身的逻辑有效地完成预定功能后结束。

– 异常结束：发生了某些错误而导致程序在没有完成预定功能时提前结束

正常结束的结束处理工作

– 返回父程序并返回结果信息

– 释放所用资源（空间、 设备、 记录使用、情况、记帐等）

非正常结束的结束处理工作

– 应包括正常结束时所做的处理工作 – 找出错误原因并报告给用户

3.1.2 用户与操作系统的接口

1. 程序级接口：

用户在程序中通过一系列的系统调用向操作系统提出服务请求。 2. 作业级接口：

操作系统为用户对作业运行全过程的控制提供的功能。

(1) 联机接口（交互式）：

由一组命令向操作系统提出请求。用户在终端上输入命令，系统立即解释并执行该命令，完成用户的要求，然后返回终端或控制台；用户可输入下一条命令，如此反复直到作业完成。 (2) 脱机接口：

在批处理系统中，用户通过作业控制语言（JCL）向系统提出对作业控制要求。OS向用户提供一组作业控制语言，用户用这种语言书写作业说明书，然后将程序、数据和作业说明书一齐交给系统操作员。脱机用户不

能直接干预系统。

脱机用户接口与批处理接口是相同含义，它一次性提供一批作业，其间用户不必干预，机器按作业说明书处理。

3.1.3 作业的基本概念 1.作业：

用户在一次计算过程中，或者一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。

作业：程序，数据，作业说明书 2. 作业步：

一般情况下，一个作业可划分成若干个部分，每个部分称为一个作业步。在作业运行期间，各作业步之间存在着相互联系，往往上一个作业步的结果作为下一个作业步的输入。 3. 作业流：

一次有一批作业进入系统，并在操作系统控制下，一个接一个地进行处理。 3.1.4 作业管理的任务 1.作业进入 2.作业调度 3.作业控制 4.作业退出

3.2 批处理系统的作业管理 （常用SPOOLing技术）

说明：

系统把作业处理的全过程划分为相对的部分，一部分为输入流，一部分为处理流，一部分为输出流。

作业输入:

作业从输入介质上进入系统，并加以组织, 在磁盘上形成一个后备作业的过程 作业处理：

A 作业调度：挑选一部分作业投入运 行

B 作业控制：完成具体进程的执行，解释执行作业说明书，结果送输出井 作业输出:

将输出井上的运行结果送外设(输出设备) 3.2.1 作业进入

作业从输入设备进入系统，并加以组织，形成一个后备作业的过程。

1.作业的组成：

作业=程序+数据+作业说明书 作业说明书：

一个于程序的文件，刻画了用户对作业的基本描述，以及用户对作业处理的控制要求，它是用作业控制语言书写的。

4.作业控制块（Job Control Block-JCB）：

作业存在的唯一标志，是系统为管理作业所设臵的一个数据结构，存放了管理和控制作业所必需的信息。

• 作业说明书内容有两部分：作业情况的描述，如用户名，作业名，用户帐号，使用语言，作业步骤，控制方式，优先级，专用文件，时间，有关注释等等。

• 另一部分是作业需要的资源，如参数设臵，系统配臵，空间需求，输入输出设备要求，数量，估计运行时间等。

JCB主要内容:

作业的描述信息：

如作业名，用户名，用户帐号，调度信息（作业优先级别），资源需求，作业进入系统时间，作业估计运行时间，作业开始处理时间，作业完成时间，作业状态等。 作业的存储信息：输入井地址，输出井地址 作业说明书信息 5. 预输入过程 第一步：

作业说明书经外部设备进入内存，操作系统对它进行分

析，从其中抽取有关内容，填写后备作业JCB，然后把作业说明书以文件的形式存入输入井，并将文件名填入JCB。

第二步：

把作业体（程序和数据）调入输入井，填写JCB有关内容。

第三步：把JCB存入输入井，插入到后备作业队列。 （以上三个步骤由预输入进程完成。） 6. 预输入进程：

预输入进程完成作业的输入、组织和建立工作。是系统进程，一经创建就等待输入设备上的信号，由系统操作员发信号，唤醒该进程投入运行。

预输入进程是一个系统进程，其工作方式为等待人工启动。

3.2.2 作业调度 1.作业调度：

根据一定的原则，从输入井的后备作业队列中选择适当的作业，为它分配内存等资源，并将其调入内存投入运行。

又称高级调度，远程调度 2. 调度原则：

公平，合理，使用户满意

提高系统资源利用率，如提高系统吞吐量 3.作业调度算法

(1)先来先服务（FCFS）：

按照作业进入系统的先后次序进行调度，先进入系统者先调度。

优点：实现简单，公平

缺点：没考虑资源利用率和作业的特殊性 (2)短作业优先（SJF）：

选择运行时间最短的作业投入运行。

优点：易于实现，强调了资源的充分利用，保证了系统

的最大吞吐量（单位时间里处理作业的个数）。 缺点：不公平，会造成长作业长期等待。

结论：

假设系统中所有作业同时到达，可以证明采用SJF能得到最短的作业平均周转时间。

(4) 基于优先数的作业调度算法: 选择优先级高的作业投入运行 (5) 资源搭配算法

(均衡型作业调度算法)

把作业分类，作业调度从不同类型作业中去调度作业 根据作业对资源要求分类: I/O 型 CPU 型 均衡型

4. 性能衡量指标

(1)作业平均周转时间T

(Ti为每个作业的周转时间；tc作业完成时刻；ts作业进入系统时刻)

(2)平均带权周转时间W

（Ti为每个作业的周转时间；tr为作业实际运行时间）

T是衡量不同调度算法对同一个作业流的性能

W是同一调度算法对不同作业流的性能衡量

例：

两道环境下，四个作业，它们进入系统的时间如下： 系统采用短作业优先作业调度算法，作业被调度运行后不再退出，但当一新作业投入运行后，可按照作业运行时间长短调整作业执行的次序，请给出上述四个作业的执行时间序列，及计算出平均周转时间及带权平均周转时间。

5.作业调度进程：

• 按一定的作业调度算法从后备作业队列中取一个JCB，对该JCB进行修改，形成一个运行JCB，然后为该作业分配资源。并将该作业的运行JCB交给作业控制进程。

（是一个系统进程，和预输入进程构成了生产者——消费者关系）

5.2.3 作业控制（负责控制作业运行）

• 作业控制进程：主要负责控制作业的运行，具体解释执行作业说明书的每一个作业步，并创建子进程来完成相应步骤

（是一个系统进程，和作业调度进程构成生产者——消费者关系） 5.2.4 作业退出

• 把输出结果送到输出设备上（启动缓输出进程完成）。 • 回收各种资源。

缓输出进程（脱机）： 从输出井上将结果输出。

是一个系统进程。创建后等待被唤醒，一旦作业完成，则唤醒该进程。

3.2.5 作业状态及转换

作业状态；进入状态；后备状态；运行状态；退出状态。

3.2.6 SPOOLing 系统工作原理

(Simultaneously Peripheral Operation On Line ) 系统把作业处理全过程分为相对的部分，一部分为输入，由预输入进程完成；另一部分为输出，由缓输出进程完成；另一部分由作业调度和作业控制来完成，处理部分若从输入部分输入的话，改为从输入井输入数据；如果向外设输出，改为向输出井某一部分去输出。

3.3 交互式系统的作业管理

3.3.1 概述

命令接口的基本任务

1.解释操作系统命令语言中的命令，将命令传送到系统以便执行

2.接受系统来的信息，以响应语言的形式提呈给用户

联机用户与交互式命令接口

使用者用输入装臵，以各种操作方法何计算机发出命令，请求各种操作。系统收到命令请求之后，将控制转向解释命令系统，对该命令进行解释执行，完成指定功能。然后，系统等待新的命令输入。

交互式命令的接口通常要复杂，含功能结构，可能问题的处理办法，如各种约定，前端处理，求助功能，命令日志，命令注解，宏命令及命令组等。

交互式控制灵活方便，可以随时进行各种处理，排除问题，方便调试，但系统利用率差。

联机命令接口：

一组联机命令，终端处理程序，命令解释程序

3.3.2 命令接口的操作方式与结构

直接命令处理

• 直接命令用命令处理程序来实现。

• 对命令进行判别、分类、翻译、解释、并按照命令参数的要求与功能，调用系统过程去实现。 不同的实现方式：

• 作为操作系统的一个组成部分。

• 作为操作系统的一个一个程序模块。

• 作为操作系统下的一个可臵换的一个普通程序。

终端命令处理

在多用户环境下的终端型处理界面，可采用间接性终端处理程序结构。用户不直接面对主机系统，而是通过某种输入输出设备与主机进行通信。用户通过键盘，鼠标等装臵，通过视频终端把信息输入系统，在终端屏幕上输出文本和图像。这里处理话动中，除了命令处理程序外，系统还要有一个终端处理程序对终端进行控制和管理。

终端处理程序：

接收用户从终端上打入的字符 字符缓冲，暂存所接收的字符 回送显示 屏幕编辑 特殊字符处理

直接影响命令接口的问题

（1）回送（）：用户输入一个字符时，要回送到终端上。某种情况下又不需回送。在远程情形下，回送由终端处理程序处理，不用远程通信。

（2）缓冲（）：有时输入字符先于程序处理，可以用缓存暂存等方法。

（3）字符转换（）：如大小写，不同编码方式的转换。 （4）行缓冲（） （5）中止字符（） （6）命令预告（） 3.3.3 命令语言

目的：规定由操作系统执行的一系列操作。

命令结构：

（命令前缀）命令名（命令参数）（命令选项）

• 命令前缀：命令的特殊性

• 命令参数：命令在执行前所需的资源、文件和数据。

• 命令选择：指明命令的目标、路径、方向、范围等。

典型命令实例： （1）UNIX系统： who ls -l

（2）DOS系统 dir c:\\

（3）VAX/VMS run mypro

3.3.4 命令的种类与功能 基本命令

• 最不可少的命令

• 显示文件目录、路径和内容 • 复制、更名或删除

• 建立、编辑程序、文本和数据 • 不同的语言编译和连接程序 • 显示系统或用户环境的信息

批处理命令

针对脱机用户操作和大量顺序操作功能而设计。

批处理命令可以是专门的命令，也可是系统的基本命令；还有有关的语法结构，循环、分支、转移、判别等，枸成一套特殊的命令语言。

宏命令

一类组合命令，某些方面类似于批处理命令，但有严格格式。宏命令其中可包含若干命令，类似于宏语句。 MACRO mycmd [命令集…] MACRO END

命令的附加功能

命令的附加功能用以扩大命令的功能性、选择性、适应性。包括： （1）参数与变量 位臵变量

关键字变量

（2）命令通配符 （3）重定向

（4）管道与过滤器 3.3.5 命令文件

许多命令接口允许用户提前写出命令并存入文件，且称为命令文件。

命令文件提供了一种把一系列命令组装成文件的方法，然后用文件名作为命令名执行另外一系列命令。

• 好的高效命令可以在如下特点：

• 如同标准命令一样接受参数和变量，并可如宏变量一样在文本中进行替换。

• 允许在命令文件中以嵌套形式调用其它命令文件。 • 允许参数来自终端战命令文件本身。

• 允许命令执行显示到终端、存入文件或送入打印机。 • 允许命令加入注释。

• 出错时允许用户干预，并在适当位臵恢复命令文件的执行。

命令文件可把输入传给程序。

命令文件可有循环、分支、转移等程序语言的特征。 3.3.6 命令设计

• 命令设计是操作系统各模块设计中重要的，也是困难的一环。

• 命令解释和处理程序也是操作系统中重要的程序模块。

3.3.7 实现 1.用户进程

对终端进行控制，即登录管理。

OS提供监控程序（monitor），不断检查系统终端，一旦发现某个终端打开，在终端上显示必要信息，要求用户注册（给出用户名、口令），看其是否合法，合法则为终端生成用户进程，然后，用户进程作业不断接收命令为用户服务。 2.用户管理

为每个用户建立一个帐号，并记录这个用户的主要信息，如用户名，口令，这些信息存放在系统文件内。当用户登录时，系统将用户打入信息与该文件进行比较，若匹则为合法用户，并为其创建用户进程，其标志：提示符。

3.子进程: (UNIX)中用FORK系统调用创建一个子进程 4.后台命令 5.保护机制 3.4 系统调用

系统调用与命令

使用方式不同，形式相同。

系统调用是嵌入到程序中使用，命令是交互式使用。