操作系統(tǒng)課件Introdu

操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，它管理著硬件資源，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)作為用戶和硬件之間的橋梁，負(fù)責(zé)處理各種任務(wù)，包括內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、進(jìn)程調(diào)度等。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件資源和軟件資源的軟件系統(tǒng)。它為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的接口，并協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)硬件和軟件之間的交互。功能管理計(jì)算機(jī)硬件，包括處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備和輸入輸出設(shè)備。提供用戶界面，讓用戶方便地使用計(jì)算機(jī)。功能管理軟件資源，包括應(yīng)用程序、庫(kù)文件和驅(qū)動(dòng)程序。為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)20世紀(jì)50年代，最早的操作系統(tǒng)出現(xiàn)，例如通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)（UNIVAC）和IBM704。這些系統(tǒng)主要用于批處理任務(wù)，效率低下，需要人工干預(yù)。2批處理操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代，批處理操作系統(tǒng)開(kāi)始流行，例如IBM的OS/360。它們能夠自動(dòng)執(zhí)行一批作業(yè)，提高了計(jì)算機(jī)利用率，但交互性仍然有限。3分時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代末，分時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，例如UNIX和Multics。它們?cè)试S多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并提供交互式界面。4個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及推動(dòng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，例如微軟的MS-DOS和蘋(píng)果的MacOS。5現(xiàn)代操作系統(tǒng)20世紀(jì)90年代至今，現(xiàn)代操作系統(tǒng)不斷發(fā)展，例如微軟的Windows、蘋(píng)果的macOS和Linux。它們提供了強(qiáng)大的功能，支持多任務(wù)、圖形界面、網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備等。操作系統(tǒng)的分類1批處理系統(tǒng)批處理系統(tǒng)可以高效處理大量任務(wù)，無(wú)需人工干預(yù)，適合于后臺(tái)作業(yè)，如數(shù)據(jù)處理。2分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)將處理能力分配給多個(gè)用戶，使他們能夠同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，提高資源利用率。3實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求快速響應(yīng)外部事件，具有嚴(yán)格的時(shí)間約束，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和航空航天領(lǐng)域。4個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)面向普通用戶，提供友好的用戶界面和豐富的應(yīng)用程序，如Windows和macOS。批處理系統(tǒng)批處理系統(tǒng)是一種操作系統(tǒng)，它將一批作業(yè)按順序提交給計(jì)算機(jī)執(zhí)行，每個(gè)作業(yè)運(yùn)行完畢后，再執(zhí)行下一個(gè)作業(yè)。批處理系統(tǒng)以批的方式運(yùn)行，作業(yè)在提交后不會(huì)立即執(zhí)行，需要等待一段時(shí)間才能開(kāi)始執(zhí)行。批處理系統(tǒng)通常用于執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的程序或處理大量數(shù)據(jù)，例如科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。分時(shí)系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)是一種多用戶操作系統(tǒng)，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。每個(gè)用戶都擁有自己的獨(dú)立工作空間，并可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互。分時(shí)系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)機(jī)制，將CPU時(shí)間分配給各個(gè)用戶，實(shí)現(xiàn)共享使用。分時(shí)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：交互性、多用戶性、資源共享、實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)嚴(yán)格的時(shí)限要求實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，通常以毫秒或微秒為單位。對(duì)可靠性的要求實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須保證穩(wěn)定可靠，即使在極端條件下也能正常運(yùn)作。對(duì)資源的限制實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常運(yùn)行在資源有限的設(shè)備上，需要高效的資源管理。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是專門為個(gè)人計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的，主要面向單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)。用戶可以方便地使用它進(jìn)行各種操作，如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、編輯文檔、運(yùn)行軟件等。常見(jiàn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)包括微軟的Windows、蘋(píng)果的macOS以及各種Linux發(fā)行版，如Ubuntu、Fedora等。移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)AndroidAndroid是全球最受歡迎的移動(dòng)操作系統(tǒng)之一，擁有龐大的應(yīng)用程序生態(tài)系統(tǒng)和可定制性。iOSiOS是Apple的移動(dòng)操作系統(tǒng)，以其流暢的界面、安全性以及強(qiáng)大的應(yīng)用程序商店而聞名。WindowsPhoneWindowsPhone是微軟的移動(dòng)操作系統(tǒng)，以前被認(rèn)為是Android和iOS的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但近年來(lái)市場(chǎng)份額下降。HarmonyOSHarmonyOS是華為開(kāi)發(fā)的移動(dòng)操作系統(tǒng)，旨在提供無(wú)縫的跨設(shè)備體驗(yàn)。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，管理系統(tǒng)資源，提供基本服務(wù)。進(jìn)程管理創(chuàng)建、調(diào)度、終止進(jìn)程，分配和回收資源。內(nèi)存管理分配和回收內(nèi)存，管理虛擬內(nèi)存，解決內(nèi)存碎片問(wèn)題。文件管理管理文件和目錄，提供文件訪問(wèn)接口。內(nèi)核核心組件內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、CPU、設(shè)備。它控制著系統(tǒng)硬件，為其他應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)服務(wù)。核心功能內(nèi)核管理系統(tǒng)進(jìn)程，為進(jìn)程分配資源，確保進(jìn)程安全可靠地運(yùn)行。它提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理等服務(wù)，支撐用戶應(yīng)用程序運(yùn)行。進(jìn)程管理進(jìn)程的定義一個(gè)正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，擁有自己的內(nèi)存空間和資源。進(jìn)程控制操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建、終止、掛起和恢復(fù)進(jìn)程，確保安全和高效運(yùn)行。并發(fā)執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程共享CPU資源，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式，實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程的交替運(yùn)行。進(jìn)程通信不同進(jìn)程之間共享數(shù)據(jù)和資源，需要進(jìn)行通信和同步，保證數(shù)據(jù)一致性。內(nèi)存管理11.管理內(nèi)存資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存空間，確保每個(gè)進(jìn)程都能獲得足夠的內(nèi)存資源。22.防止內(nèi)存沖突操作系統(tǒng)確保多個(gè)進(jìn)程不會(huì)互相訪問(wèn)對(duì)方的內(nèi)存空間，防止數(shù)據(jù)損壞。33.提高內(nèi)存利用率操作系統(tǒng)通過(guò)多種技術(shù)，例如虛擬內(nèi)存技術(shù)，來(lái)提高內(nèi)存的利用率。44.保證系統(tǒng)穩(wěn)定良好的內(nèi)存管理能夠防止內(nèi)存泄漏和崩潰，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種硬件設(shè)備，例如磁盤、網(wǎng)絡(luò)接口、打印機(jī)等。它充當(dāng)了操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的橋梁，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件差異。設(shè)備分配與調(diào)度設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)將硬件設(shè)備分配給不同的應(yīng)用程序使用，并協(xié)調(diào)多個(gè)應(yīng)用程序?qū)ν辉O(shè)備的訪問(wèn)。它還負(fù)責(zé)設(shè)備的調(diào)度，確保不同類型的設(shè)備得到合理使用，提高系統(tǒng)效率。文件管理文件存儲(chǔ)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將文件存儲(chǔ)在磁盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備上。這包括分配磁盤空間并管理文件位置。文件訪問(wèn)用戶可以使用操作系統(tǒng)提供的接口來(lái)訪問(wèn)文件，例如打開(kāi)、創(chuàng)建、讀取、寫(xiě)入和刪除文件。文件保護(hù)操作系統(tǒng)提供了文件保護(hù)機(jī)制，例如訪問(wèn)控制和密碼保護(hù)，以確保文件安全。文件組織操作系統(tǒng)通常使用目錄結(jié)構(gòu)來(lái)組織文件，這使得用戶可以輕松地找到和管理文件。進(jìn)程的基本概念程序程序是一組指令序列，是靜態(tài)的，存儲(chǔ)在磁盤上。進(jìn)程進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是動(dòng)態(tài)的，擁有獨(dú)立的地址空間和系統(tǒng)資源。進(jìn)程映像進(jìn)程映像是指進(jìn)程在內(nèi)存中的映像，包括代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段等。進(jìn)程控制塊（PCB）PCB是進(jìn)程管理的核心，包含進(jìn)程標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、資源等信息，用于管理進(jìn)程。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多種狀態(tài)，這些狀態(tài)之間會(huì)互相轉(zhuǎn)換。1運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在使用CPU進(jìn)行計(jì)算。2就緒狀態(tài)進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行，但正在等待CPU。3阻塞狀態(tài)進(jìn)程正在等待某個(gè)事件發(fā)生，例如I/O操作完成。進(jìn)程控制1創(chuàng)建進(jìn)程創(chuàng)建的流程2掛起進(jìn)程的暫停和恢復(fù)3終止進(jìn)程的結(jié)束和資源回收進(jìn)程控制是指操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的管理和控制，包括創(chuàng)建、掛起、恢復(fù)和終止進(jìn)程等操作。通過(guò)進(jìn)程控制，操作系統(tǒng)可以有效地管理系統(tǒng)資源，并實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。多進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行輪流執(zhí)行操作系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，讓多個(gè)進(jìn)程交替執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)“同時(shí)”運(yùn)行的效果。共享資源多個(gè)進(jìn)程共享CPU、內(nèi)存等系統(tǒng)資源，提高資源利用率。上下文切換當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片用完，操作系統(tǒng)會(huì)保存當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)，并切換到另一個(gè)進(jìn)程，繼續(xù)執(zhí)行。協(xié)作處理多個(gè)進(jìn)程可以合作完成復(fù)雜任務(wù)，例如，一個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)輸入，另一個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)輸出。進(jìn)程同步與互斥互斥多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)共享資源時(shí)，同一時(shí)刻只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)。同步多個(gè)進(jìn)程按特定順序訪問(wèn)共享資源，確保數(shù)據(jù)一致性。臨界區(qū)訪問(wèn)共享資源的代碼段，需使用同步機(jī)制保護(hù)。信號(hào)量同步機(jī)制，用于管理對(duì)共享資源的訪問(wèn)。死鎖的概念與處理死鎖概念多個(gè)進(jìn)程相互等待對(duì)方持有的資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，陷入僵持狀態(tài)。死鎖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)效率，甚至造成系統(tǒng)崩潰。死鎖處理方法死鎖預(yù)防：設(shè)計(jì)算法，確保系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入死鎖狀態(tài)，例如，使用資源有序分配策略。死鎖避免：通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，避免潛在的死鎖，例如，使用銀行家算法。內(nèi)存管理方式單一連續(xù)分配將內(nèi)存劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域，每個(gè)程序占有一個(gè)連續(xù)區(qū)域，程序裝入時(shí)必須找到一個(gè)足夠大的空閑區(qū)域，方便簡(jiǎn)單，但浪費(fèi)內(nèi)存空間。分頁(yè)式管理將內(nèi)存分成大小相等的頁(yè)框，每個(gè)進(jìn)程劃分成多個(gè)頁(yè)面，并將頁(yè)面分散裝入到內(nèi)存中，提高內(nèi)存利用率，但需要分頁(yè)機(jī)制和地址轉(zhuǎn)換。分段式管理將程序劃分成邏輯上獨(dú)立的段，每個(gè)段可以大小不等，并將段分散裝入內(nèi)存，更靈活，但需要地址轉(zhuǎn)換機(jī)制。段頁(yè)式管理結(jié)合了分頁(yè)和分段的優(yōu)點(diǎn)，將程序邏輯上劃分成段，并進(jìn)一步將每個(gè)段劃分成固定大小的頁(yè)面，在地址轉(zhuǎn)換時(shí)同時(shí)使用段表和頁(yè)表。虛擬內(nèi)存技術(shù)1擴(kuò)大地址空間虛擬內(nèi)存技術(shù)允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。2多任務(wù)處理虛擬內(nèi)存可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，即使物理內(nèi)存有限。3提高效率通過(guò)將部分程序加載到內(nèi)存中，可以提高系統(tǒng)性能。4保護(hù)機(jī)制虛擬內(nèi)存提供程序之間相互隔離，防止程序互相干擾。頁(yè)面置換算法最佳頁(yè)面置換算法該算法選擇將來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換。先進(jìn)先出(FIFO)頁(yè)面置換算法該算法總是選擇最先進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面進(jìn)行替換。最少使用(LRU)頁(yè)面置換算法該算法總是選擇最近最少使用的頁(yè)面進(jìn)行替換。時(shí)鐘頁(yè)面置換算法該算法是FIFO算法的改進(jìn)，它使用一個(gè)時(shí)鐘指針來(lái)選擇頁(yè)面。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的橋梁，允許操作系統(tǒng)控制和訪問(wèn)硬件資源。系統(tǒng)服務(wù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供系統(tǒng)服務(wù)，例如文件讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)傳輸和硬件狀態(tài)監(jiān)控。軟件模塊驅(qū)動(dòng)程序是軟件模塊，負(fù)責(zé)處理特定硬件設(shè)備的特定操作。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)以樹(shù)形結(jié)構(gòu)組織文件，每個(gè)目錄都是樹(shù)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含文件和子目錄。2文件組織方式文件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)組織方式分為順序文件系統(tǒng)、索引順序文件系統(tǒng)、索引文件系統(tǒng)等。3數(shù)據(jù)塊分配策略文件系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)塊分配策略管理磁盤空間，確保文件存儲(chǔ)的完整性和一致性。4文件訪問(wèn)控制文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制用戶對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限，保護(hù)文件安全，防止非法訪問(wèn)。文件系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)組織和管理文件系統(tǒng)管理包括文件存儲(chǔ)、組織、訪問(wèn)和安全控制等方面。目錄結(jié)構(gòu)目錄結(jié)構(gòu)提供了一種層次化的組織方式，方便用戶管理和訪問(wèn)文件。文件分配策略文件分配策略決定了文件在磁盤上的存儲(chǔ)方式，影響磁盤空間利用率和文件訪問(wèn)性能。磁盤管理磁盤管理包括磁盤空間分配、文件存儲(chǔ)和檢索等功能。輸入輸出系統(tǒng)硬件接口輸入輸出系統(tǒng)需要與各種硬件設(shè)備進(jìn)行交互，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤等。它負(fù)責(zé)管理這些設(shè)備的訪問(wèn)，并確保數(shù)據(jù)能夠正確地從設(shè)備傳輸?shù)絻?nèi)存或從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)皆O(shè)備。軟件管理輸入輸出系統(tǒng)還包括一組軟件組件，這些組件負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備，并為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口來(lái)訪問(wèn)這些設(shè)備。例如，驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)控制特定硬件設(shè)備的行為，而操作系統(tǒng)內(nèi)核則負(fù)責(zé)管理所有硬件設(shè)備的訪問(wèn)。操作系統(tǒng)安全機(jī)制訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)使用訪問(wèn)控制列表(ACL)和權(quán)限設(shè)置來(lái)限制對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)，確保僅授權(quán)用戶和進(jìn)程可以訪問(wèn)特定文件、目錄或設(shè)備。數(shù)據(jù)加密通過(guò)加密敏感數(shù)據(jù)，例如用戶密碼和系統(tǒng)文件，可以防止未經(jīng)授權(quán)的訪