2024年度操作系統(tǒng)第四講操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境(二)

操作系統(tǒng)第四講操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境(二)12024/2/3目錄操作系統(tǒng)概述進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境22024/2/301操作系統(tǒng)概述Chapter32024/2/3操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源、合理組織計(jì)算機(jī)工作流程以及方便用戶使用的程序的集合。提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理、控制程序執(zhí)行、改善人機(jī)界面、提供各種服務(wù)以及保證系統(tǒng)安全等。定義功能定義與功能42024/2/3從手工操作到批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)，再到現(xiàn)代的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和提供服務(wù)的方式，操作系統(tǒng)可分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)等。發(fā)展歷程及分類分類發(fā)展歷程52024/2/3異步性在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的，而是走走停停，以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。并發(fā)性現(xiàn)代操作系統(tǒng)具有處理多個(gè)任務(wù)的能力，這些任務(wù)可以在同一時(shí)間間隔內(nèi)并發(fā)執(zhí)行。共享性操作系統(tǒng)中的資源可以被多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的程序共同使用，以達(dá)到資源共享的目的。虛擬性通過技術(shù)手段將物理實(shí)體變?yōu)檫壿嬌系膶?duì)應(yīng)物，或通過對(duì)物理實(shí)體的功能進(jìn)行擴(kuò)充或強(qiáng)化，以提供更為豐富、更為方便的服務(wù)。現(xiàn)代操作系統(tǒng)特點(diǎn)62024/2/302進(jìn)程管理Chapter72024/2/3進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在執(zhí)行過程中會(huì)經(jīng)歷多種狀態(tài)，如就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)等。這些狀態(tài)之間會(huì)根據(jù)進(jìn)程的執(zhí)行情況和系統(tǒng)資源狀況進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)程定義進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，它是程序的執(zhí)行過程，具有動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性和結(jié)構(gòu)性等特征。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以清晰地表示進(jìn)程在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程，以及導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件或條件。進(jìn)程概念及狀態(tài)轉(zhuǎn)換82024/2/3調(diào)度算法分類01根據(jù)不同的調(diào)度目標(biāo)和策略，可以將進(jìn)程調(diào)度算法分為多種類型，如先來先服務(wù)（FCFS）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級(jí)調(diào)度（PriorityScheduling）、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RoundRobin）等。調(diào)度策略02調(diào)度策略是指操作系統(tǒng)在進(jìn)程調(diào)度時(shí)所采用的規(guī)則和方法，包括何時(shí)進(jìn)行調(diào)度、選擇哪個(gè)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度以及如何進(jìn)行上下文切換等。多級(jí)反饋隊(duì)列03多級(jí)反饋隊(duì)列是一種綜合考慮進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、等待時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間的調(diào)度算法，它將進(jìn)程按照不同的優(yōu)先級(jí)放入不同的隊(duì)列中，并根據(jù)進(jìn)程的行為動(dòng)態(tài)調(diào)整其優(yōu)先級(jí)和隊(duì)列。進(jìn)程調(diào)度算法與策略92024/2/3同步原語(yǔ)為了保證多個(gè)進(jìn)程之間協(xié)調(diào)地工作，操作系統(tǒng)提供了一組同步原語(yǔ)，如信號(hào)量（Semaphore）、互斥鎖（Mutex）、條件變量（ConditionVariable）等。這些原語(yǔ)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥。進(jìn)程通信方式進(jìn)程通信是指不同進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)和信息的過程。常見的進(jìn)程通信方式包括管道（Pipe）、消息隊(duì)列（MessageQueue）、共享內(nèi)存（SharedMemory）和套接字（Socket）等。死鎖問題當(dāng)多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而造成的一種相互等待的現(xiàn)象稱為死鎖。操作系統(tǒng)需要采取一些策略來避免或解決死鎖問題，如破壞死鎖四個(gè)必要條件之一、銀行家算法等。進(jìn)程同步與通信機(jī)制102024/2/303內(nèi)存管理Chapter112024/2/3內(nèi)存空間分配與回收技術(shù)單一連續(xù)分配只能用于單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)中，分為固定分區(qū)分配和動(dòng)態(tài)分區(qū)分配。分頁(yè)存儲(chǔ)管理將內(nèi)存空間分為一個(gè)個(gè)大小相等的分區(qū)，稱為“頁(yè)框”或“頁(yè)幀”，每個(gè)頁(yè)框有一個(gè)編號(hào)，即“頁(yè)框號(hào)”或“幀號(hào)”。分段存儲(chǔ)管理為了滿足多道程序運(yùn)行和信息共享的要求，將用戶程序地址空間分成若干個(gè)大小不等的段，每段可以定義一組相對(duì)完整的邏輯信息。段頁(yè)式存儲(chǔ)管理結(jié)合了分段和分頁(yè)的優(yōu)點(diǎn)，先將用戶程序分成若干個(gè)段，再把每個(gè)段分成若干個(gè)頁(yè)，并為每一個(gè)段賦予一個(gè)段名。122024/2/3虛擬內(nèi)存的基本概念：是指具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)系統(tǒng)。請(qǐng)求分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式：在分頁(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)功能和頁(yè)面置換功能所形成的頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。頁(yè)面置換算法：當(dāng)需要調(diào)入一頁(yè)而內(nèi)存已滿時(shí)，系統(tǒng)需根據(jù)某種算法將內(nèi)存中的某一頁(yè)換出，以便騰出空間存放新調(diào)入的頁(yè)。常見的置換算法有最佳置換算法、先進(jìn)先出置換算法、最近最久未使用置換算法和時(shí)鐘置換算法等。頁(yè)面分配策略：駐留集大小固定和可變分配策略、調(diào)入策略和置換策略等。虛擬內(nèi)存原理及實(shí)現(xiàn)方法132024/2/3確保各進(jìn)程在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行，互不干擾；防止因一個(gè)進(jìn)程發(fā)生錯(cuò)誤而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。內(nèi)存保護(hù)的目標(biāo)通過設(shè)置上下限寄存器保護(hù)基址和限長(zhǎng)；采用重定位寄存器或界地址保護(hù)方式進(jìn)行越界檢查；利用存儲(chǔ)保護(hù)鍵進(jìn)行保護(hù)等。內(nèi)存保護(hù)的方法在硬件方面，通過內(nèi)存管理單元（MMU）實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)；在軟件方面，操作系統(tǒng)提供相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用和庫(kù)函數(shù)，以支持內(nèi)存保護(hù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。內(nèi)存保護(hù)的實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)機(jī)制142024/2/304文件系統(tǒng)Chapter152024/2/3文件概念文件是操作系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的基本單位，通常被組織成記錄或數(shù)據(jù)塊的集合。類型劃分根據(jù)文件的性質(zhì)和用途，可將其劃分為普通文件、目錄文件、特殊文件等。其中，普通文件包含文本文件、二進(jìn)制文件等；目錄文件用于表示文件系統(tǒng)中的目錄結(jié)構(gòu)；特殊文件則包括設(shè)備文件、管道文件等。文件概念及類型劃分162024/2/3常見的文件組織結(jié)構(gòu)包括順序結(jié)構(gòu)、索引結(jié)構(gòu)、鏈接結(jié)構(gòu)和哈希結(jié)構(gòu)等。順序結(jié)構(gòu)按邏輯順序連續(xù)存放文件數(shù)據(jù)；索引結(jié)構(gòu)通過索引表記錄文件數(shù)據(jù)塊的位置；鏈接結(jié)構(gòu)通過指針鏈接各個(gè)數(shù)據(jù)塊；哈希結(jié)構(gòu)則通過哈希函數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)塊位置。文件組織結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循高效性、可靠性、安全性、可擴(kuò)展性等原則。高效性要求文件系統(tǒng)能快速定位、讀寫文件數(shù)據(jù)；可靠性要求文件系統(tǒng)能防止數(shù)據(jù)丟失和損壞；安全性要求文件系統(tǒng)能保護(hù)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)不被非法訪問和篡改；可擴(kuò)展性要求文件系統(tǒng)能適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的應(yīng)用場(chǎng)景。設(shè)計(jì)原則文件組織結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原則172024/2/3文件訪問權(quán)限控制文件訪問權(quán)限控制是操作系統(tǒng)安全性的重要體現(xiàn)，通常包括讀權(quán)限、寫權(quán)限和執(zhí)行權(quán)限等。讀權(quán)限允許用戶讀取文件內(nèi)容；寫權(quán)限允許用戶修改文件內(nèi)容；執(zhí)行權(quán)限允許用戶執(zhí)行文件。訪問權(quán)限操作系統(tǒng)通常采用訪問控制列表（ACL）、能力（Capability）等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)文件訪問權(quán)限控制。ACL是一種基于用戶或用戶組的權(quán)限控制方式，可以為每個(gè)文件或目錄指定不同的訪問權(quán)限；能力機(jī)制則是一種基于進(jìn)程的權(quán)限控制方式，進(jìn)程在執(zhí)行過程中獲得相應(yīng)的能力以訪問文件。權(quán)限控制機(jī)制182024/2/305設(shè)備管理Chapter192024/2/3010203設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概念設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)中與硬件設(shè)備交互的軟件模塊，它提供了對(duì)設(shè)備的抽象和控制功能，使得應(yīng)用程序可以通過操作系統(tǒng)使用設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序原理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過特定的接口與設(shè)備進(jìn)行通信，接收來自操作系統(tǒng)的請(qǐng)求，并將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備可以理解的指令。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序還負(fù)責(zé)處理設(shè)備的輸入/輸出操作，管理設(shè)備的狀態(tài)和資源。實(shí)現(xiàn)方法設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)方法因設(shè)備和操作系統(tǒng)的不同而有所差異。通常，驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)需要了解設(shè)備的硬件規(guī)格和通信協(xié)議，使用特定的編程語(yǔ)言和工具進(jìn)行開發(fā)。在實(shí)現(xiàn)過程中，需要考慮設(shè)備的并發(fā)訪問、錯(cuò)誤處理、資源管理等問題。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序原理及實(shí)現(xiàn)方法202024/2/3設(shè)備分配策略設(shè)備分配策略是指操作系統(tǒng)在多個(gè)進(jìn)程之間分配設(shè)備資源的方法。常見的設(shè)備分配策略包括靜態(tài)分配、動(dòng)態(tài)分配和共享分配。靜態(tài)分配在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)預(yù)先分配設(shè)備資源，動(dòng)態(tài)分配在進(jìn)程運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要分配設(shè)備資源，而共享分配允許多個(gè)進(jìn)程共享同一設(shè)備資源。優(yōu)化方法為了提高設(shè)備的使用效率和系統(tǒng)的性能，可以采用一些優(yōu)化方法。例如，使用緩沖技術(shù)來減少設(shè)備的啟動(dòng)延遲和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；采用中斷處理技術(shù)來及時(shí)處理設(shè)備的輸入/輸出操作；使用設(shè)備獨(dú)立性原理來降低應(yīng)用程序與具體設(shè)備的耦合度等。設(shè)備分配策略與優(yōu)化方法212024/2/3設(shè)備獨(dú)立性概念設(shè)備獨(dú)立性是指應(yīng)用程序在編寫時(shí)不需要關(guān)心具體使用哪個(gè)設(shè)備，只需要通過操作系統(tǒng)提供的抽象接口來使用設(shè)備。這樣可以降低應(yīng)用程序與具體設(shè)備的耦合度，提高程序的可移植性和可維護(hù)性。要點(diǎn)一要點(diǎn)二實(shí)現(xiàn)方法為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，操作系統(tǒng)需要提供統(tǒng)一的設(shè)備接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)用程序需要使用設(shè)備時(shí)，只需要調(diào)用相應(yīng)的操作系統(tǒng)接口即可。操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備的特性和當(dāng)前的狀態(tài)來選擇合適的設(shè)備進(jìn)行操作，并將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。同時(shí)，操作系統(tǒng)還需要提供設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和相應(yīng)的管理工具來支持設(shè)備的獨(dú)立使用。設(shè)備獨(dú)立性原理222024/2/306網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境Chapter232024/2/3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是由一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層構(gòu)成的，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。每一層都負(fù)責(zé)處理特定類型的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，并通過與相鄰層的接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的作用在于提供一套完整的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案，使得不同設(shè)備和應(yīng)用之間能夠相互通信和交換數(shù)據(jù)。它隱藏了底層通信細(xì)節(jié)，為上層應(yīng)用提供了一套統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。作用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)及其作用242024/2/3VS分布式文件系統(tǒng)是一種允許多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)共享文件和存儲(chǔ)資源的文件系統(tǒng)。它采用客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器上的文件和數(shù)據(jù)。分布式文件系統(tǒng)通過將文件和數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，提高了數(shù)據(jù)的可用性和可靠性，并實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡。應(yīng)用舉例分布式文件系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，例如Google的GFS（GoogleFileSystem）和Hadoop的HDFS（HadoopDistributedFileSystem）都是著名的分布式文件系統(tǒng)。它們被廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算等領(lǐng)域，為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和分析提供了高效、可靠的存儲(chǔ)和訪問服務(wù)。分布式文件系統(tǒng)原理分布式文件系統(tǒng)原理及應(yīng)用舉例252024/2/3挑戰(zhàn)云計(jì)算平臺(tái)下操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境面臨著多方面的挑戰(zhàn)，如虛擬化技術(shù)的復(fù)雜性和性能開銷、多租戶環(huán)境下的安全性和隔離性保障、海量數(shù)據(jù)的處理和分析等。此外，云計(jì)算平臺(tái)還需要考慮資源的動(dòng)態(tài)管理和調(diào)度、高可用性和容錯(cuò)性等問題。機(jī)遇云計(jì)算平臺(tái)為