操作系統(tǒng)課件-孟慶昌

操作系統(tǒng)課件本課件涵蓋了操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，包括進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本課件，學(xué)生將掌握操作系統(tǒng)的工作原理和基本操作，為學(xué)習(xí)其他計算機課程打下基礎(chǔ)。課程簡介課程目標本課程旨在幫助學(xué)生理解操作系統(tǒng)的基本概念、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)。學(xué)生將學(xué)習(xí)如何設(shè)計、實現(xiàn)和使用操作系統(tǒng)，為未來從事軟件開發(fā)、系統(tǒng)管理等工作奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容本課程涵蓋操作系統(tǒng)的主要內(nèi)容，包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理、輸入/輸出系統(tǒng)和安全性等。我們將深入探討這些主題的理論知識、核心技術(shù)和應(yīng)用案例，幫助學(xué)生全面掌握操作系統(tǒng)的基本原理和實踐技能。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心軟件，負責(zé)管理計算機硬件資源和軟件資源。操作系統(tǒng)為用戶提供一個簡潔、友好的界面，并為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)主要功能包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。操作系統(tǒng)的定義和功能資源管理操作系統(tǒng)負責(zé)管理計算機的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲器和外圍設(shè)備，確保資源的有效利用。用戶界面操作系統(tǒng)提供用戶界面，允許用戶與計算機進行交互，并使用各種應(yīng)用程序。程序執(zhí)行操作系統(tǒng)加載和執(zhí)行程序，管理程序的執(zhí)行過程，確保程序能夠順利運行。網(wǎng)絡(luò)支持現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)支持，允許計算機連接到網(wǎng)絡(luò)，共享資源和數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)20世紀50年代，第一批操作系統(tǒng)出現(xiàn)，如通用自動程序控制系統(tǒng)（通用自動程序控制系統(tǒng)）。2批處理操作系統(tǒng)20世紀60年代，批處理操作系統(tǒng)出現(xiàn)，例如IBM的OS/360系統(tǒng)，它允許多個程序共享系統(tǒng)資源。3分時操作系統(tǒng)20世紀70年代，分時操作系統(tǒng)（如Unix和Multics）出現(xiàn)，它允許多個用戶同時使用計算機。4實時操作系統(tǒng)20世紀80年代，實時操作系統(tǒng)（如VxWorks）出現(xiàn)，它用于需要實時響應(yīng)的系統(tǒng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)。5現(xiàn)代操作系統(tǒng)20世紀90年代至今，現(xiàn)代操作系統(tǒng)（如Windows、macOS和Linux）繼續(xù)發(fā)展，提供更強大的功能，例如圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)功能和多媒體支持。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，負責(zé)管理系統(tǒng)資源，提供基本服務(wù)。2系統(tǒng)調(diào)用接口應(yīng)用程序與內(nèi)核交互的橋梁，提供系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用。3用戶程序運行在用戶空間，訪問系統(tǒng)資源需通過系統(tǒng)調(diào)用。4外殼用戶與內(nèi)核交互的界面，提供命令行或圖形界面。進程管理進程管理是操作系統(tǒng)核心功能之一，負責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度和終止進程。它優(yōu)化系統(tǒng)資源利用率，確保多個進程高效協(xié)作。進程的概念與狀態(tài)進程定義進程是程序執(zhí)行時的基本單位，它代表一個正在運行的程序。它是操作系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位。進程狀態(tài)進程通常存在三種基本狀態(tài)：運行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)。進程在不同狀態(tài)之間進行切換，由操作系統(tǒng)管理。狀態(tài)轉(zhuǎn)換進程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由系統(tǒng)事件觸發(fā)，例如：CPU調(diào)度、I/O操作、等待事件。進程調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)按照進程到達的順序進行調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但容易造成短作業(yè)等待時間過長。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進程的優(yōu)先級進行調(diào)度，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先執(zhí)行，可以滿足緊急任務(wù)的需要。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度將CPU時間分成時間片，每個進程輪流執(zhí)行一個時間片，適用于多用戶環(huán)境。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇下一個執(zhí)行時間最短的進程，可以減少平均等待時間，但需要預(yù)知作業(yè)執(zhí)行時間。進程同步和互斥同步進程同步是指多個進程按一定順序訪問共享資源，確保數(shù)據(jù)一致性。例如，多個進程訪問同一個數(shù)據(jù)庫時，需要保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，避免出現(xiàn)沖突。互斥進程互斥是指在同一時間，只有一個進程可以訪問共享資源，防止多個進程同時修改共享資源，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。實現(xiàn)方式常見的進程同步和互斥實現(xiàn)方式包括信號量、管程、臨界區(qū)等。這些機制通過鎖和條件變量等機制來控制多個進程對共享資源的訪問。內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要功能，它負責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的內(nèi)存資源。操作系統(tǒng)通過內(nèi)存管理，確保程序能夠有效地使用內(nèi)存空間，并防止不同程序之間發(fā)生沖突。內(nèi)存管理概述1資源分配內(nèi)存是寶貴的系統(tǒng)資源，需要進行有效分配。2地址轉(zhuǎn)換內(nèi)存管理負責(zé)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，方便程序訪問內(nèi)存。3保護機制內(nèi)存管理提供保護機制，防止程序相互干擾，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。4提高利用率內(nèi)存管理的目標是盡可能提高內(nèi)存利用率，減少內(nèi)存浪費。連續(xù)內(nèi)存分配單一連續(xù)分配將整個內(nèi)存空間分配給一個進程，該進程獨占內(nèi)存，其他進程無法使用。固定分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分成固定大小的若干分區(qū)，每個分區(qū)只能被一個進程使用。可變分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分成大小可變的若干分區(qū)，每個分區(qū)可以被多個進程使用。分頁內(nèi)存管理1物理內(nèi)存劃分為大小相等的頁面。2邏輯地址程序使用邏輯地址進行訪問。3頁表將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分頁內(nèi)存管理將物理內(nèi)存劃分為等大小的頁面，并使用頁表將邏輯地址映射到物理地址。邏輯地址由頁號和偏移量組成，頁表將頁號映射到對應(yīng)的物理頁幀。頁面置換算法FIFO先進先出算法，簡單易實現(xiàn)，但容易出現(xiàn)Belady異常。最佳置換算法選擇未來最長時間不會被訪問的頁面，性能最佳，但無法實現(xiàn)。LRU選擇最近最長時間未被訪問的頁面，性能較好，需要額外的硬件支持。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)核心功能之一，負責(zé)管理計算機中存儲的文件。文件管理提供創(chuàng)建、刪除、修改、復(fù)制、移動、檢索等操作，使數(shù)據(jù)能夠被組織、存儲和訪問。文件概念與組織文件文件是計算機系統(tǒng)存儲信息的單位。它是以特定格式組織的數(shù)據(jù)集合。系統(tǒng)將文件作為基本存儲單元，提供對數(shù)據(jù)的管理和操作。例如，文本文件包含文本數(shù)據(jù)，圖像文件包含圖像數(shù)據(jù)，程序文件包含程序代碼。文件組織文件組織指的是文件在存儲介質(zhì)上如何排列和組織。常見的組織方式包括順序文件，索引文件和直接文件等。不同的組織方式會影響文件的訪問速度和存儲效率。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)將文件組織成樹形結(jié)構(gòu)，以根目錄為起點，分支為子目錄，葉子節(jié)點為文件。圖狀結(jié)構(gòu)使用圖來表示文件之間的關(guān)系，適用于文件之間存在復(fù)雜鏈接的情況。表格結(jié)構(gòu)以表格的形式存儲文件信息，例如文件名、大小、創(chuàng)建時間等，方便管理和檢索文件。文件訪問方法順序訪問順序訪問方法類似于磁帶機，一次讀取一個文件，從頭到尾依次訪問，速度較慢，適用于順序存儲的文件。直接訪問直接訪問方法允許用戶直接訪問文件中的任意位置，速度快，適用于隨機存儲的文件。索引順序訪問索引順序訪問方法結(jié)合了順序訪問和直接訪問的優(yōu)點，通過索引表查找文件位置，提高了訪問效率。內(nèi)容尋址文件系統(tǒng)內(nèi)容尋址文件系統(tǒng)根據(jù)文件內(nèi)容生成唯一的標識符，無需文件名或路徑信息，提高了安全性。設(shè)備管理設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分。它負責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備，包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲設(shè)備等。設(shè)備的分類與特點輸入設(shè)備鍵盤、鼠標、掃描儀等，主要用于將數(shù)據(jù)輸入到計算機系統(tǒng)。輸出設(shè)備顯示器、打印機、音箱等，主要用于將計算機處理結(jié)果輸出。存儲設(shè)備硬盤、固態(tài)硬盤、光盤等，用于存儲數(shù)據(jù)和程序。通信設(shè)備網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等，用于實現(xiàn)計算機之間的通信。設(shè)備驅(qū)動程序1硬件抽象層設(shè)備驅(qū)動程序為操作系統(tǒng)提供硬件抽象層，隱藏了硬件的具體細節(jié)。2數(shù)據(jù)交互驅(qū)動程序負責(zé)與硬件設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，將硬件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為操作系統(tǒng)可理解的形式。3事件處理驅(qū)動程序處理硬件中斷和事件，并通知操作系統(tǒng)進行處理。4資源管理驅(qū)動程序負責(zé)分配和管理硬件資源，確保硬件設(shè)備的正常使用。設(shè)備分配與回收設(shè)備分配操作系統(tǒng)需要將設(shè)備分配給請求它們的進程。分配過程需要考慮設(shè)備類型、資源使用率等因素。設(shè)備回收當進程不再需要設(shè)備時，需要將其回收?；厥者^程需要確保設(shè)備狀態(tài)的正確性，以便其他進程使用。動態(tài)分配動態(tài)分配允許根據(jù)需要分配和釋放設(shè)備資源。它提高了資源利用率和靈活性。輸入/輸出系統(tǒng)輸入/輸出系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分。它負責(zé)管理計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的信息交換，并提供用戶與設(shè)備之間的接口。I/O系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)傳輸通道I/O系統(tǒng)負責(zé)數(shù)據(jù)在CPU和外部設(shè)備之間的傳輸。例如，硬盤、打印機、鍵盤等。I/O系統(tǒng)需要處理各種類型的設(shè)備，例如：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。緩沖區(qū)管理數(shù)據(jù)交換區(qū)域操作系統(tǒng)使用緩沖區(qū)作為數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間交換的臨時存儲區(qū)域。提高數(shù)據(jù)訪問速度通過將常用的數(shù)據(jù)緩存到緩沖區(qū)，減少了設(shè)備訪問次數(shù)，提升了數(shù)據(jù)訪問效率。同步數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)作為進程和設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換的媒介，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)最簡單的磁盤調(diào)度算法。按請求到達順序分配服務(wù)?？赡軐?dǎo)致磁盤臂頻繁移動，效率低下。最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)選擇與當前磁頭位置距離最短的請求，減少磁盤臂移動次數(shù)，提高效率?？赡軐?dǎo)致某些請求長時間等待。掃描算法(SCAN)磁頭從當前位置向一個方向移動，處理所有請求，然后反向移動，處理另一個方向的所有請求。平衡效率和公平性。電梯算法(LOOK)掃描算法的改進，磁頭只移動到請求所在的磁道范圍，避免無用移動。提高效率，節(jié)省時間。操作系統(tǒng)安全性操作系統(tǒng)安全性至關(guān)重要，保護系統(tǒng)免受惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄露。安全性概述數(shù)據(jù)機密性保護敏感信息免遭未經(jīng)授權(quán)的訪問和使用，例如用戶密碼、個人信息和商業(yè)機密等。數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)不被篡改或破壞，防止惡意攻擊者修改或刪除數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可用性確保系統(tǒng)持續(xù)運行和提供服務(wù)，即使面對攻擊或故障也要保持穩(wěn)定運行。訪問控制1訪問控制訪問控制用于限制對系統(tǒng)資源的訪問，保護敏感信息安全。2訪問控制列表ACL是一種常見的訪問控制機制，用于定義特定用戶或組對資源的訪問權(quán)限。3身份驗證和授權(quán)身份驗證確保用戶身份的真實性，授權(quán)則決定用戶對資源的訪問權(quán)限。4訪問控制策略制定明確