華科電信系操作系統(tǒng)課件cha

華中科技大學(xué)電信系操作系統(tǒng)課程本課程將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。涵蓋了進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等關(guān)鍵主題。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中必不可少的軟件。它負(fù)責(zé)管理計算機硬件資源，為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)是一個復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，它協(xié)調(diào)了計算機的各個部分，使它們能夠有效地協(xié)同工作。操作系統(tǒng)的功能和特點資源管理操作系統(tǒng)管理計算機的硬件資源，包括CPU、內(nèi)存、外設(shè)等，為用戶提供統(tǒng)一的訪問接口。進(jìn)程管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度、終止進(jìn)程，協(xié)調(diào)多個進(jìn)程共享CPU和內(nèi)存資源。文件管理操作系統(tǒng)管理文件存儲，提供文件創(chuàng)建、刪除、讀寫、修改等功能，方便用戶組織和使用數(shù)據(jù)。安全性操作系統(tǒng)提供安全機制，保護(hù)系統(tǒng)資源不被惡意訪問或破壞，保障系統(tǒng)安全運行。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)以批處理系統(tǒng)為代表，例如IBM的OS/360。這些系統(tǒng)旨在提高計算機利用率，但缺乏交互性和靈活性。分時系統(tǒng)例如UNIX和Multics，允許多個用戶同時使用計算機，并提供交互式界面。個人計算機操作系統(tǒng)例如MS-DOS和ApplemacOS，為個人電腦提供用戶友好的界面和應(yīng)用程序支持?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)例如Windows、Linux和Android，支持多任務(wù)處理、圖形界面、網(wǎng)絡(luò)連接和安全功能。操作系統(tǒng)的分類單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)這類操作系統(tǒng)只能允許一個用戶使用，并且同一時間只能運行一個程序。例如，早期的DOS系統(tǒng)。單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)這類操作系統(tǒng)允許一個用戶同時運行多個程序。例如，Windows和macOS。多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)這類操作系統(tǒng)允許多個用戶同時使用，并且每個用戶都可以運行多個程序。例如，Linux和Unix。實時操作系統(tǒng)(RTOS)這類操作系統(tǒng)專門為實時應(yīng)用設(shè)計，例如工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)。RTOS對時間要求嚴(yán)格，必須在嚴(yán)格的時限內(nèi)完成任務(wù)。進(jìn)程管理進(jìn)程是操作系統(tǒng)中重要的概念，是資源分配和調(diào)度執(zhí)行的基本單位。進(jìn)程管理負(fù)責(zé)創(chuàng)建、撤銷、掛起、恢復(fù)、調(diào)度、同步和通信等操作。進(jìn)程的概念和特點程序的執(zhí)行過程進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序的一個實例，它包含了程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。動態(tài)資源分配進(jìn)程擁有自己獨立的地址空間和資源，包括內(nèi)存、文件和設(shè)備等。并發(fā)執(zhí)行多個進(jìn)程可以在系統(tǒng)中同時執(zhí)行，并共享系統(tǒng)資源。獨立性進(jìn)程之間相互獨立，擁有獨立的資源和執(zhí)行環(huán)境。進(jìn)程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換1就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備好運行，但正在等待CPU資源分配。2運行狀態(tài)進(jìn)程正在CPU上執(zhí)行。3阻塞狀態(tài)進(jìn)程正在等待某個事件發(fā)生，例如I/O操作完成。操作系統(tǒng)會根據(jù)資源可用性、優(yōu)先級等因素，將進(jìn)程在不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。例如，當(dāng)一個進(jìn)程從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運行狀態(tài)時，說明該進(jìn)程獲得了CPU資源。進(jìn)程的同步與互斥進(jìn)程同步進(jìn)程同步是指多個進(jìn)程按照一定的順序進(jìn)行執(zhí)行,確保它們之間相互配合,實現(xiàn)共同的目標(biāo).常見的同步機制包括信號量,互斥鎖,條件變量等,可以有效地協(xié)調(diào)多個進(jìn)程之間的交互.進(jìn)程互斥進(jìn)程互斥是指多個進(jìn)程不能同時訪問共享資源,以防止數(shù)據(jù)不一致或錯誤.常見的互斥機制包括臨界區(qū),信號量,互斥鎖等,可以有效地保護(hù)共享資源,防止并發(fā)訪問導(dǎo)致的錯誤.死鎖問題操作系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題。當(dāng)多個進(jìn)程相互等待對方釋放資源時，就會發(fā)生死鎖，導(dǎo)致所有進(jìn)程無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖的概念和原因11.死鎖的概念多個進(jìn)程相互競爭資源，造成互相等待，最終導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。22.死鎖產(chǎn)生的原因競爭不可搶占資源，如打印機或文件。多個進(jìn)程同時請求資源，導(dǎo)致資源不足。33.死鎖產(chǎn)生的原因進(jìn)程間相互等待資源，形成循環(huán)等待，例如進(jìn)程A等待進(jìn)程B釋放資源，進(jìn)程B等待進(jìn)程A釋放資源。44.死鎖產(chǎn)生的原因系統(tǒng)設(shè)計或代碼錯誤，導(dǎo)致進(jìn)程陷入死鎖狀態(tài)。死鎖的預(yù)防和解決死鎖的預(yù)防死鎖的預(yù)防策略旨在通過限制資源分配方式來避免死鎖的發(fā)生?；コ鈼l件：確保同一時間只有一個進(jìn)程可以使用某一資源。占有并等待：禁止進(jìn)程在等待其他資源時占用已分配的資源。非剝奪條件：阻止進(jìn)程強行奪取其他進(jìn)程已占用的資源。循環(huán)等待條件：避免資源分配形成循環(huán)依賴關(guān)系。死鎖的解決死鎖的解決策略是在發(fā)生死鎖后采取措施，恢復(fù)系統(tǒng)運行。死鎖檢測：利用算法定期檢測系統(tǒng)狀態(tài)，識別是否存在死鎖。死鎖解除：選擇犧牲一個或多個進(jìn)程，釋放資源，解除死鎖。回滾：將進(jìn)程回退到之前狀態(tài)，釋放資源，重試操作。內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)的內(nèi)存資源。內(nèi)存管理的主要目標(biāo)是提高內(nèi)存利用率，防止程序之間的相互干擾，并為應(yīng)用程序提供高效的內(nèi)存訪問機制。內(nèi)存分配策略連續(xù)分配每個進(jìn)程在內(nèi)存中占據(jù)一段連續(xù)的空間，簡單易懂，但容易造成內(nèi)存碎片。分頁分配將程序地址空間劃分為大小相等的頁面，物理內(nèi)存劃分為大小相等的頁框，方便程序的裝入和調(diào)出，提高內(nèi)存利用率。分段分配將程序地址空間劃分為邏輯上獨立的段，每個段可以擁有不同的屬性，方便代碼管理，但也增加了復(fù)雜度。虛擬內(nèi)存將磁盤空間作為虛擬內(nèi)存的一部分，在程序運行過程中按需加載到物理內(nèi)存，可以執(zhí)行更大的程序，但需要額外的磁盤訪問時間。虛擬內(nèi)存技術(shù)物理內(nèi)存不足虛擬內(nèi)存技術(shù)可以解決物理內(nèi)存不足問題，通過將一部分磁盤空間作為虛擬內(nèi)存，擴展了系統(tǒng)的內(nèi)存空間。多任務(wù)處理在虛擬內(nèi)存技術(shù)的幫助下，操作系統(tǒng)可以加載多個程序到內(nèi)存中，并為每個程序提供虛擬內(nèi)存空間，實現(xiàn)多任務(wù)并行運行。提高效率虛擬內(nèi)存技術(shù)通過分頁或分段機制，將程序分割成多個頁面或段，并按需加載到內(nèi)存中，減少了內(nèi)存浪費，提高了系統(tǒng)效率。數(shù)據(jù)交換虛擬內(nèi)存技術(shù)在內(nèi)存和磁盤之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將不活躍的頁面或段交換到磁盤，以騰出空間給更活躍的頁面或段使用。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)對文件進(jìn)行組織、存儲和訪問。文件管理系統(tǒng)為用戶提供了一種方便的方式來管理數(shù)據(jù)，同時確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。文件的概念和特性11.數(shù)據(jù)集合文件是存儲在計算機上的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，可以是文本、程序、圖像、音頻或視頻等。22.邏輯結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)以邏輯結(jié)構(gòu)的方式組織文件，抽象出獨立的組織方式，而不依賴于物理存儲細(xì)節(jié)。33.命名和訪問文件通過文件名進(jìn)行識別，操作系統(tǒng)提供訪問和管理文件的機制，保證數(shù)據(jù)完整性和安全性。44.屬性描述文件擁有屬性描述，例如大小、創(chuàng)建時間、所有者、權(quán)限等，用于管理和控制文件使用。文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)組織和管理文件的方式，它決定了文件的存儲和訪問方式。2層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)將文件組織成樹形結(jié)構(gòu)，每個目錄可以包含多個子目錄和文件，方便用戶管理和訪問文件。3線性結(jié)構(gòu)線性結(jié)構(gòu)將文件以線性方式排列，所有文件都在同一個目錄下，訪問文件時需要按順序查找，不利于文件管理。磁盤管理磁盤管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理和組織磁盤上的數(shù)據(jù)。它包括磁盤分區(qū)、文件系統(tǒng)管理、磁盤空間分配、磁盤調(diào)度等方面，保證數(shù)據(jù)存儲的安全性、可靠性和效率。磁盤的基本概念存儲介質(zhì)磁盤是用于存儲數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)。它由一個或多個圓盤組成，每個圓盤都有一個磁性表面，數(shù)據(jù)以磁性方式存儲在表面上。數(shù)據(jù)訪問方式磁盤數(shù)據(jù)訪問方式稱為順序訪問，通過磁盤控制器將數(shù)據(jù)讀寫到磁性表面上。磁盤結(jié)構(gòu)磁盤由磁盤盤片、磁頭、驅(qū)動器和控制器組成。磁盤類型常見的磁盤類型包括硬盤（HDD）、固態(tài)硬盤（SSD）和軟盤（FloppyDisk）。磁盤分區(qū)和陣列技術(shù)磁盤分區(qū)將硬盤劃分為多個邏輯磁盤，提高磁盤管理效率和數(shù)據(jù)安全，提升系統(tǒng)性能。磁盤陣列多個物理硬盤組成一個邏輯硬盤，提高存儲容量，增強可靠性和性能。數(shù)據(jù)冗余RAID技術(shù)提供數(shù)據(jù)冗余，即使硬盤損壞，也不影響數(shù)據(jù)訪問，提升數(shù)據(jù)安全。輸入/輸出管理操作系統(tǒng)對I/O設(shè)備的管理，提供統(tǒng)一的接口，方便用戶使用。I/O管理包括設(shè)備驅(qū)動程序、I/O中斷處理、緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。I/O設(shè)備的種類和特點1輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、麥克風(fēng)等，將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的信號。2輸出設(shè)備顯示器、打印機、揚聲器等，將計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成人類可以理解的形式。3存儲設(shè)備硬盤、光盤、U盤等，用于存儲數(shù)據(jù)和程序，可分為主存和輔存。4通信設(shè)備調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡等，用于與其他計算機或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。I/O軟件接口系統(tǒng)調(diào)用用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用請求操作系統(tǒng)提供I/O服務(wù)，并獲取系統(tǒng)資源，例如打開、讀取、寫入、關(guān)閉文件。設(shè)備驅(qū)動程序驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與I/O設(shè)備之間的橋梁，負(fù)責(zé)控制I/O設(shè)備的硬件操作。I/O控制模塊該模塊負(fù)責(zé)管理I/O設(shè)備的分配和使用，并提供統(tǒng)一的接口供用戶程序調(diào)用。設(shè)備驅(qū)動程序硬件與軟件橋梁設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的橋梁，提供統(tǒng)一的接口供應(yīng)用程序調(diào)用，屏蔽硬件差異。I/O請求處理驅(qū)動程序負(fù)責(zé)接收來自操作系統(tǒng)的I/O請求，并將其轉(zhuǎn)化為硬件可以理解的指令。設(shè)備管理驅(qū)動程序負(fù)責(zé)管理硬件資源，包括分配、釋放和控制硬件設(shè)備，確保不同程序訪問設(shè)備的協(xié)調(diào)性。操作系統(tǒng)的安全性操作系統(tǒng)安全性是至關(guān)重要的，它保護(hù)著系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)免受攻擊。安全威脅包括惡意軟件、網(wǎng)絡(luò)攻擊和非法訪問等，操作系統(tǒng)需要提供安全機制來抵御這些威脅。操作系統(tǒng)安全威脅及防御安全威脅惡意軟件攻擊，例如病毒、蠕蟲和木馬，可能損害系統(tǒng)文件和數(shù)據(jù)。未經(jīng)授權(quán)的訪問可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)故障。系統(tǒng)漏洞可能會被黑客利用，導(dǎo)致安全漏洞和數(shù)據(jù)丟失。防御措施安裝防病毒軟件和防火墻來抵御惡意軟件和網(wǎng)絡(luò)攻擊。定期更新操作系統(tǒng)和軟件以修復(fù)安全漏洞。實施訪問控制策略，限制用戶對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限。操作系統(tǒng)性能評估操作系統(tǒng)性能評估是衡量其效率和有效性的關(guān)鍵步驟。性能指標(biāo)包括吞吐量、響應(yīng)時間、資源利用率等。性能指標(biāo)和評估方法CPU利用率CPU利用率衡量的是CPU資源的使用程度，較高利用率意味著系統(tǒng)繁忙，而過低利用率則意味著資源浪費。內(nèi)存利用率內(nèi)存利用率反映的是系統(tǒng)內(nèi)存的有效使用情況，較高內(nèi)存利用率可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，而過低利用率則意味著資源浪費。磁盤I/O速度磁盤I/O速度衡量的是磁盤