(2024年)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第五版課件

操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第五版課件12024/3/26CATALOGUE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)備管理操作系統(tǒng)安全22024/3/2601操作系統(tǒng)概述32024/3/26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。定義提供計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的接口；管理計(jì)算機(jī)資源；提供用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。功能操作系統(tǒng)的定義與功能42024/3/26早期操作系統(tǒng)手工操作、批處理系統(tǒng)。現(xiàn)代操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等。發(fā)展趨勢(shì)微內(nèi)核、面向?qū)ο?、分布式、智能化等。操作系統(tǒng)的歷史與發(fā)展52024/3/26操作系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)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)、分布式操作系統(tǒng)等。分類并發(fā)性、共享性、虛擬性、異步性等。其中，并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生；共享性是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用；虛擬性是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物；異步性是指進(jìn)程以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。特點(diǎn)62024/3/2602進(jìn)程管理72024/3/26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)性等基本特征。進(jìn)程的定義進(jìn)程在其生命周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷多種狀態(tài)，如創(chuàng)建狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)等。這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的執(zhí)行情況和資源需求進(jìn)行管理。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程的概念與狀態(tài)82024/3/26進(jìn)程控制塊（ProcessControlBlock，PCB）是操作系統(tǒng)中用于描述進(jìn)程狀態(tài)和特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。PCB的定義PCB通常包含進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、處理機(jī)狀態(tài)、進(jìn)程調(diào)度信息和進(jìn)程控制信息等內(nèi)容。其中，進(jìn)程標(biāo)識(shí)符用于唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程；處理機(jī)狀態(tài)記錄了進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的寄存器信息；進(jìn)程調(diào)度信息包括進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、調(diào)度隊(duì)列指針等；進(jìn)程控制信息則包括程序和數(shù)據(jù)的地址空間、資源清單以及鏈接指針等。PCB的內(nèi)容進(jìn)程控制塊PCB92024/3/26進(jìn)程調(diào)度算法先來先服務(wù)（FCFS）算法：按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的進(jìn)程先得到服務(wù)。這種算法簡單易懂，但可能導(dǎo)致長作業(yè)等待時(shí)間過長。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）算法：根據(jù)進(jìn)程的估計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)度，選擇估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。這種算法有利于提高系統(tǒng)吞吐量，但對(duì)長作業(yè)不利。優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先得到服務(wù)。這種算法可以靈活調(diào)整進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)以滿足不同需求，但需要合理設(shè)置優(yōu)先級(jí)以避免饑餓現(xiàn)象。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）算法：將CPU時(shí)間劃分為固定大小的時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程輪流執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。當(dāng)時(shí)間片用完后，進(jìn)程被放到就緒隊(duì)列的末尾等待下一次調(diào)度。這種算法兼顧了短作業(yè)和長作業(yè)的需求，且響應(yīng)時(shí)間較為均勻。102024/3/26進(jìn)程同步多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過程中需要協(xié)調(diào)其推進(jìn)速度以共享資源或相互合作，這種協(xié)調(diào)稱為進(jìn)程同步。常見的同步機(jī)制包括信號(hào)量、管程和消息傳遞等。進(jìn)程通信進(jìn)程間通過某種手段交換信息的過程稱為進(jìn)程通信。常見的通信方式包括共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、管道和套接字等。這些通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。進(jìn)程同步與通信112024/3/2603內(nèi)存管理122024/3/26動(dòng)態(tài)分配程序在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)或釋放內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)提供相應(yīng)的內(nèi)存分配和回收機(jī)制。靜態(tài)分配程序在編譯或鏈接時(shí)確定內(nèi)存需求，操作系統(tǒng)在程序裝入內(nèi)存時(shí)一次性分配所需內(nèi)存空間，程序運(yùn)行期間不再改變。內(nèi)存碎片由于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和回收可能導(dǎo)致內(nèi)存中出現(xiàn)一些不連續(xù)的小塊空閑內(nèi)存，稱為內(nèi)存碎片。操作系統(tǒng)需要采取相應(yīng)措施來減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。內(nèi)存的分配與回收132024/3/26界限寄存器操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程設(shè)置一對(duì)界限寄存器，分別存儲(chǔ)該進(jìn)程在內(nèi)存中的起始地址和結(jié)束地址。硬件在每次內(nèi)存訪問時(shí)檢查訪問地址是否越界，若越界則觸發(fā)中斷，保護(hù)內(nèi)存安全。段式保護(hù)將程序的邏輯地址空間劃分為多個(gè)段，每個(gè)段有自己的基址和長度。硬件在每次內(nèi)存訪問時(shí)檢查訪問地址是否在當(dāng)前段的范圍內(nèi)，若不在則觸發(fā)中斷。頁式保護(hù)將程序的邏輯地址空間和物理內(nèi)存空間都劃分為大小相等的頁面。操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程建立頁表，記錄邏輯頁面對(duì)應(yīng)的物理頁面。硬件在每次內(nèi)存訪問時(shí)通過頁表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，并檢查訪問權(quán)限。內(nèi)存保護(hù)技術(shù)142024/3/26請(qǐng)求分頁01將程序的邏輯地址空間劃分為大小相等的頁面，當(dāng)程序需要訪問某個(gè)頁面時(shí)，若該頁面不在內(nèi)存中，則向操作系統(tǒng)發(fā)出缺頁中斷，操作系統(tǒng)將所需頁面調(diào)入內(nèi)存。請(qǐng)求分段02將程序的邏輯地址空間劃分為多個(gè)段，每個(gè)段有自己的基址和長度。當(dāng)程序需要訪問某個(gè)段時(shí)，若該段不在內(nèi)存中，則向操作系統(tǒng)發(fā)出缺段中斷，操作系統(tǒng)將所需段調(diào)入內(nèi)存。頁面置換算法03當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，操作系統(tǒng)需要選擇某個(gè)頁面進(jìn)行置換。常見的頁面置換算法有先進(jìn)先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）、最不經(jīng)常使用（LFU）等。虛擬內(nèi)存技術(shù)152024/3/26頁面置換算法選擇最近一段時(shí)間內(nèi)被訪問次數(shù)最少的頁面進(jìn)行置換。該算法考慮了頁面的訪問頻率信息，但需要定期更新頁面的訪問計(jì)數(shù)信息。最不經(jīng)常使用（LFU）算法選擇最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面進(jìn)行置換。該算法實(shí)現(xiàn)簡單，但可能導(dǎo)致較高的頁面缺失率。先進(jìn)先出（FIFO）算法選擇最近最長時(shí)間未被訪問的頁面進(jìn)行置換。該算法能夠較好地反映程序的局部性原理，但需要維護(hù)頁面的訪問歷史信息。最近最久未使用（LRU）算法162024/3/2604文件系統(tǒng)172024/3/26文件的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，它是一段具有特定名稱的、可尋址的、可操作的、可管理的數(shù)據(jù)集合。文件的類型根據(jù)文件的性質(zhì)和用途，文件可分為普通文件、目錄文件、特殊文件等。普通文件是用戶通常意義上的文件，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；目錄文件用于表示和管理文件系統(tǒng)中的目錄結(jié)構(gòu)；特殊文件則包括設(shè)備文件和管道文件等，用于實(shí)現(xiàn)特定的系統(tǒng)功能。文件的概念與類型182024/3/26VS目錄是文件系統(tǒng)中用于組織和管理文件的邏輯結(jié)構(gòu)，它提供了一種層次化的方式來表示文件之間的關(guān)聯(lián)。目錄結(jié)構(gòu)常見的目錄結(jié)構(gòu)有單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)、二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)和多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將所有文件都放在根目錄下，適用于簡單系統(tǒng)；二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將文件分為用戶文件和系統(tǒng)文件兩類，分別放在不同的目錄下；多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)則采用樹形結(jié)構(gòu)，可以表示更復(fù)雜的文件和目錄關(guān)系。目錄的概念文件目錄結(jié)構(gòu)192024/3/26文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在存儲(chǔ)設(shè)備上的存放方式，包括連續(xù)結(jié)構(gòu)、鏈接結(jié)構(gòu)和索引結(jié)構(gòu)等。連續(xù)結(jié)構(gòu)將文件數(shù)據(jù)連續(xù)存放在磁盤上，適用于順序訪問；鏈接結(jié)構(gòu)將文件數(shù)據(jù)分散存放在磁盤上，通過鏈接指針進(jìn)行訪問；索引結(jié)構(gòu)則通過建立索引表來管理文件的存放位置。操作系統(tǒng)需要有效地管理文件的存儲(chǔ)空間，包括空閑空間的管理和已分配空間的管理。常見的空閑空間管理方法有位示圖法、空閑塊鏈表法和空閑塊成組鏈接法等；而已分配空間的管理則可以通過建立文件分配表或鏈接指針等方式實(shí)現(xiàn)。文件的物理結(jié)構(gòu)文件存儲(chǔ)空間管理文件存儲(chǔ)管理202024/3/26文件共享多個(gè)用戶或進(jìn)程可以同時(shí)訪問同一個(gè)文件，實(shí)現(xiàn)文件的共享。操作系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的共享機(jī)制和管理策略，如基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方式、基于符號(hào)鏈接的共享方式等。文件保護(hù)為了保護(hù)文件的安全性和完整性，操作系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的保護(hù)措施，如訪問控制列表（ACL）、加密技術(shù)等。同時(shí)，還需要防止對(duì)文件的非法訪問和破壞，如通過防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等手段來加強(qiáng)文件系統(tǒng)的安全防護(hù)。文件共享與保護(hù)212024/3/2605設(shè)備管理222024/3/26操作系統(tǒng)通過設(shè)備管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳎_保設(shè)備正常工作。提供設(shè)備控制與處理功能設(shè)備管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，即應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的操作與具體設(shè)備無關(guān)，提高系統(tǒng)的可移植性和易維護(hù)性。設(shè)備獨(dú)立性根據(jù)設(shè)備請(qǐng)求，為進(jìn)程分配所需的設(shè)備資源，并在進(jìn)程結(jié)束后及時(shí)回收設(shè)備資源。設(shè)備分配與回收對(duì)設(shè)備進(jìn)行緩沖管理，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少CPU等待時(shí)間。緩沖管理設(shè)備管理的功能與任務(wù)232024/3/26程序直接控制方式由用戶進(jìn)程直接控制I/O操作，CPU等待時(shí)間長，效率低下。DMA控制方式通過DMA控制器直接控制內(nèi)存與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，降低了CPU的干預(yù)程度，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。中斷控制方式采用中斷技術(shù)，當(dāng)I/O操作完成后，通過中斷通知CPU進(jìn)行處理，提高了CPU利用率。通道控制方式使用通道來控制多個(gè)I/O設(shè)備的操作，進(jìn)一步減少了CPU的干預(yù)，提高了系統(tǒng)性能。I/O控制方式242024/3/26123對(duì)于獨(dú)占設(shè)備，采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)分配方式，確保同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)進(jìn)程能夠使用該設(shè)備。獨(dú)占設(shè)備分配對(duì)于共享設(shè)備，采用虛擬設(shè)備技術(shù)或SPOOLing技術(shù)，允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用同一設(shè)備。共享設(shè)備分配根據(jù)設(shè)備的特性和系統(tǒng)需求，選擇合適的設(shè)備分配算法，如先來先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先等。設(shè)備分配算法設(shè)備分配技術(shù)252024/3/26設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備的橋梁，它負(fù)責(zé)接收操作系統(tǒng)的請(qǐng)求并控制硬件設(shè)備完成相應(yīng)的操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常由設(shè)備控制塊、中斷處理程序、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和設(shè)備服務(wù)子程序等組成。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫與加載編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要了解硬件設(shè)備的特性和操作系統(tǒng)的接口規(guī)范，加載驅(qū)動(dòng)程序則需要通過操作系統(tǒng)提供的機(jī)制將驅(qū)動(dòng)程序加載到內(nèi)核中。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的概念262024/3/2606操作系統(tǒng)安全272024/3/2603操作系統(tǒng)安全策略身份驗(yàn)證、訪問控制、加密等。01操作系統(tǒng)安全的重要性保護(hù)系統(tǒng)資源，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和破壞。02操作系統(tǒng)面臨的安全威脅惡意軟件、黑客攻擊、數(shù)據(jù)泄露等。操作系統(tǒng)安全概述282024/3/26主體、客體、訪問權(quán)限等。訪問控制的基本概念自主訪問控制、強(qiáng)制訪問控制、基于角色的訪問控制等。訪問控制模型訪問控制列表、能力表、安全標(biāo)簽等。訪問控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)訪問控制技術(shù)292024/3/26加密