《操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課件

操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分，它管理著硬件資源和軟件資源，為用戶提供一個(gè)友好的使用環(huán)境。課程目標(biāo)11.理解操作系統(tǒng)基本概念學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的基本概念和重要概念，如進(jìn)程、線程、內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)等。22.掌握操作系統(tǒng)工作原理深入了解操作系統(tǒng)的工作原理，包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理和I/O管理等。33.運(yùn)用操作系統(tǒng)知識(shí)解決實(shí)際問題能夠?qū)⒉僮飨到y(tǒng)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題，例如優(yōu)化系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)效率等。44.培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力通過學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用水平。課程大綱操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的定義、功能、目標(biāo)和分類。進(jìn)程管理進(jìn)程概念、進(jìn)程狀態(tài)、進(jìn)程控制、進(jìn)程通信、進(jìn)程同步。內(nèi)存管理內(nèi)存分配策略、虛擬內(nèi)存、頁面置換算法。文件管理文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、文件操作、目錄管理。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的軟件。它提供了用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、文件系統(tǒng)、進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)等資源，為用戶提供安全、高效、友好的使用體驗(yàn)。操作系統(tǒng)的功能資源管理操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，包括處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和外設(shè)。進(jìn)程管理操作系統(tǒng)控制和管理進(jìn)程的創(chuàng)建、執(zhí)行和終止。安全管理操作系統(tǒng)提供安全措施，保護(hù)系統(tǒng)免受惡意訪問和破壞。用戶界面操作系統(tǒng)提供用戶與計(jì)算機(jī)交互的方式，例如圖形用戶界面或命令行界面。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源2系統(tǒng)調(diào)用接口用戶程序與內(nèi)核交互的橋梁3系統(tǒng)程序提供用戶程序所需的工具和服務(wù)4用戶程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)，由內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用接口、系統(tǒng)程序和用戶程序組成。進(jìn)程管理進(jìn)程的概念一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，擁有自己的內(nèi)存空間和資源。進(jìn)程調(diào)度操作系統(tǒng)如何分配CPU時(shí)間給多個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程通信進(jìn)程之間共享數(shù)據(jù)和資源的方式，如管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存。進(jìn)程同步協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程訪問共享資源，防止數(shù)據(jù)沖突和死鎖。線程輕量級(jí)進(jìn)程線程是進(jìn)程的一部分，是進(jìn)程的執(zhí)行單元。線程比進(jìn)程更輕量級(jí)，創(chuàng)建和銷毀更快。多個(gè)線程共享同一個(gè)進(jìn)程的資源，如地址空間、文件等。并發(fā)執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程可以創(chuàng)建多個(gè)線程，多個(gè)線程可以并發(fā)執(zhí)行，提高程序效率。線程之間的切換比進(jìn)程之間的切換更快，因此可以更好地利用CPU時(shí)間片。CPU調(diào)度CPU調(diào)度是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理CPU資源，決定哪個(gè)進(jìn)程或線程可以獲得CPU的使用權(quán)。CPU調(diào)度算法直接影響系統(tǒng)性能，例如響應(yīng)時(shí)間、吞吐量和資源利用率等。1先來先服務(wù)最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。2最短作業(yè)優(yōu)先每次選擇運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程。3優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先獲得CPU。4時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，依次執(zhí)行，時(shí)間片用完則切換到下一個(gè)進(jìn)程。5多級(jí)反饋隊(duì)列多個(gè)隊(duì)列，根據(jù)進(jìn)程的特性和優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度。死鎖互斥條件多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)資源，只能由一個(gè)進(jìn)程使用。占有并等待條件一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)占有了至少一個(gè)資源，但又需要另外一個(gè)資源，而該資源被另一個(gè)進(jìn)程占用。不可剝奪條件進(jìn)程已經(jīng)占用的資源不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行剝奪，只能由該進(jìn)程自己釋放。循環(huán)等待條件存在一個(gè)循環(huán)的進(jìn)程等待資源，例如P1等待P2的資源，P2等待P3的資源，P3等待P1的資源。死鎖的處理1預(yù)防死鎖通過設(shè)置資源分配規(guī)則和限制進(jìn)程請(qǐng)求資源的方式來防止死鎖發(fā)生，例如，銀行家算法。2避免死鎖在資源分配過程中，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和避免死鎖的出現(xiàn)，例如，資源分配圖算法。3檢測(cè)與解除死鎖監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，檢測(cè)死鎖，并通過回滾、搶占或終止進(jìn)程等方式解除死鎖。內(nèi)存管理內(nèi)存管理概述操作系統(tǒng)管理內(nèi)存資源。負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率。同時(shí)需要防止進(jìn)程之間相互干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。內(nèi)存管理的目標(biāo)最大化內(nèi)存利用率提高系統(tǒng)性能保護(hù)用戶程序和數(shù)據(jù)提供靈活的內(nèi)存分配機(jī)制虛擬存儲(chǔ)器擴(kuò)展內(nèi)存空間虛擬內(nèi)存允許程序使用超過物理內(nèi)存的地址空間，可以訪問超出物理內(nèi)存大小的數(shù)據(jù)。硬盤作為擴(kuò)展內(nèi)存虛擬內(nèi)存利用硬盤作為輔助存儲(chǔ)器，將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上，以模擬更大容量的內(nèi)存。提高系統(tǒng)效率虛擬內(nèi)存通過將部分未使用的數(shù)據(jù)移至硬盤，提高了多任務(wù)處理的效率。頁面置換算法最佳頁面置換算法該算法選擇未來最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問的頁面進(jìn)行替換，但無法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)先出（FIFO）算法該算法選擇在內(nèi)存中駐留時(shí)間最長(zhǎng)的頁面進(jìn)行替換，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)但性能較差。最近最少使用（LRU）算法該算法選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行替換，性能較好，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。時(shí)鐘頁面置換算法該算法是一種近似LRU算法，通過維護(hù)一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，用訪問位來記錄頁面的使用情況。文件管理11.文件存儲(chǔ)文件管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤等存儲(chǔ)設(shè)備上，并管理這些存儲(chǔ)空間。22.文件組織文件組織是指根據(jù)文件類型、創(chuàng)建時(shí)間等屬性將文件進(jìn)行分類和管理，以便于用戶快速查找和訪問。33.文件訪問文件管理系統(tǒng)提供各種方法供用戶訪問文件，包括創(chuàng)建、刪除、修改、復(fù)制和移動(dòng)等操作。44.文件保護(hù)文件管理系統(tǒng)還負(fù)責(zé)保護(hù)文件安全，防止非法訪問和修改，例如設(shè)置訪問權(quán)限和加密等措施。目錄結(jié)構(gòu)11.樹形結(jié)構(gòu)大多數(shù)文件系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)組織文件和目錄，方便查找和管理。22.根目錄樹形結(jié)構(gòu)的根目錄是文件系統(tǒng)的起始點(diǎn)，所有其他目錄和文件都在它的子樹中。33.路徑路徑是訪問文件或目錄的地址，可以是絕對(duì)路徑或相對(duì)路徑。44.文件名文件名是每個(gè)文件的唯一標(biāo)識(shí)，包含擴(kuò)展名，可以識(shí)別文件類型。文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用樹狀結(jié)構(gòu)組織文件和目錄，以便進(jìn)行有效管理和訪問。磁盤管理文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將文件存儲(chǔ)在磁盤上，并提供機(jī)制管理磁盤空間和文件分配。安全與權(quán)限文件系統(tǒng)通過訪問控制列表（ACL）等機(jī)制保護(hù)文件安全，并控制用戶對(duì)文件的訪問權(quán)限。I/O子系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O設(shè)備指操作系統(tǒng)管理的硬件設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、硬盤等。I/O設(shè)備根據(jù)其速度和數(shù)據(jù)傳輸方式可分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。I/O控制操作系統(tǒng)控制和管理I/O設(shè)備，確保應(yīng)用程序安全地訪問它們。通過I/O控制器，操作系統(tǒng)可以進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載、中斷處理、緩沖區(qū)管理等操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，它們提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口供操作系統(tǒng)調(diào)用。管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)控制設(shè)備的操作，例如啟動(dòng)、停止、讀寫數(shù)據(jù)等，并處理設(shè)備中斷和錯(cuò)誤。系統(tǒng)資源驅(qū)動(dòng)程序還負(fù)責(zé)管理設(shè)備的資源，例如內(nèi)存、中斷、I/O端口等。磁盤管理磁盤空間分配磁盤空間分配策略，例如連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配等。文件系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)管理包括目錄結(jié)構(gòu)、文件訪問控制、文件保護(hù)等。磁盤備份與恢復(fù)備份重要數(shù)據(jù)以防意外丟失，并提供恢復(fù)策略。作業(yè)管理作業(yè)管理的概念作業(yè)管理是指操作系統(tǒng)管理用戶提交的作業(yè)，從提交到完成的整個(gè)過程。作業(yè)管理負(fù)責(zé)接收用戶作業(yè)，分配系統(tǒng)資源，并調(diào)度作業(yè)執(zhí)行。作業(yè)管理的功能作業(yè)管理的主要功能包括作業(yè)的接收、作業(yè)的調(diào)度、作業(yè)的執(zhí)行、作業(yè)的撤銷和作業(yè)的完成。作業(yè)管理確保系統(tǒng)資源的合理分配和利用，并提高系統(tǒng)效率。作業(yè)調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，按作業(yè)到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇運(yùn)行時(shí)間最短的作業(yè)，提高系統(tǒng)吞吐量。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)作業(yè)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)每個(gè)作業(yè)輪流執(zhí)行一段時(shí)間片，實(shí)現(xiàn)公平性。多級(jí)反饋隊(duì)列將作業(yè)分層調(diào)度，提高響應(yīng)時(shí)間和吞吐量。用戶接口圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)提供直觀的交互方式，使用圖形元素和鼠標(biāo)操作，提高用戶體驗(yàn)。命令行界面命令行界面(CLI)使用文本命令與操作系統(tǒng)交互，適合專業(yè)用戶和自動(dòng)化操作。觸摸屏界面觸摸屏界面為移動(dòng)設(shè)備提供直觀的交互方式，支持手勢(shì)操作和觸控輸入。虛擬現(xiàn)實(shí)界面虛擬現(xiàn)實(shí)界面提供沉浸式交互體驗(yàn)，使用VR設(shè)備模擬真實(shí)環(huán)境，用于游戲、教育和培訓(xùn)。命令解釋器用戶與內(nèi)核橋梁命令解釋器是用戶與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的橋梁，它接受用戶輸入的命令并將其解釋為內(nèi)核能夠理解的操作。命令解析和執(zhí)行命令解釋器負(fù)責(zé)解析用戶輸入的命令，將其分解為內(nèi)核能夠理解的指令，并調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行這些指令。交互式界面命令解釋器通常提供交互式界面，允許用戶輸入命令并立即獲得反饋，這使得用戶能夠方便地與操作系統(tǒng)交互。批處理腳本命令解釋器還可以執(zhí)行批處理腳本，這是一種預(yù)先編寫的一系列命令，可以自動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)，提高工作效率。圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)提供友好的用戶交互方式，使用圖形元素、菜單、窗口和圖標(biāo)來代替命令行界面。GUI使操作系統(tǒng)的使用更加直觀和易于學(xué)習(xí)，即使沒有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶也能輕松使用。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)對(duì)事件作出及時(shí)響應(yīng)，通常用于控制工業(yè)設(shè)備或嵌入式系統(tǒng)。確定性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要確定響應(yīng)時(shí)間，確保系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)?？煽啃詫?shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須高度可靠，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ糜陉P(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序，如航空航天或醫(yī)療設(shè)備。嵌入式操作系統(tǒng)專用性嵌入式操作系統(tǒng)通常為特定硬件和應(yīng)用程序定制設(shè)計(jì)，具有高度的專用性。資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理器速度和存儲(chǔ)空間，需要精簡(jiǎn)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)性許多嵌入式應(yīng)用需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，例如控制系統(tǒng)或工業(yè)自動(dòng)化，要求操作系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性。可靠性嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中，需要高度的可靠性和穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。分布式操作系統(tǒng)資源共享多個(gè)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作，共享資源，如硬件、軟件和數(shù)據(jù)。透明性用戶對(duì)分布式系統(tǒng)的感知如同單機(jī)系統(tǒng)，屏蔽分布式系統(tǒng)細(xì)節(jié)。高可用性通過冗余節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可以容忍部分節(jié)點(diǎn)故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性?？蓴U(kuò)展性通過添加新的節(jié)點(diǎn)，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的處理能力，滿足不斷增長(zhǎng)的需求。云操作系統(tǒng)虛擬化云操作系統(tǒng)通過虛擬化技術(shù)，將物理資源劃分為多個(gè)虛擬資源。彈性可以根據(jù)用戶的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配，實(shí)現(xiàn)按需使用。分布式云操作系統(tǒng)分布在多個(gè)數(shù)據(jù)中心，提供高可用性和容錯(cuò)能力。服務(wù)化將操作系統(tǒng)功能抽象為服務(wù)，用戶可以按需使用。未來操作系統(tǒng)的發(fā)展云計(jì)算集成未來操作系統(tǒng)將更加緊密地與云計(jì)算平臺(tái)集成，提供更強(qiáng)大的資源共享和服務(wù)能力。人工智能融入人工智能將進(jìn)一步融入操作系統(tǒng)，提升系統(tǒng)效率和安全性，實(shí)現(xiàn)更智能化的管