《操作系統(tǒng)ch》課件

操作系統(tǒng)概論本課程介紹操作系統(tǒng)的基本概念、原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。操作系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)管理系統(tǒng)資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源，包括CPU、內(nèi)存、外設(shè)和文件等。提供用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交互的接口，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。提供程序運(yùn)行環(huán)境操作系統(tǒng)為程序運(yùn)行提供必要的環(huán)境，例如內(nèi)存分配、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)連接等。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程11940s早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒有操作系統(tǒng)，程序員直接與硬件打交道。21950s批處理操作系統(tǒng)出現(xiàn)，提高了計(jì)算機(jī)利用率，但缺乏交互性。31960s分時(shí)操作系統(tǒng)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，并發(fā)展了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。41970s實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)出現(xiàn)，用于控制實(shí)時(shí)應(yīng)用，如工業(yè)控制系統(tǒng)和航空航天系統(tǒng)。51980s個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)出現(xiàn)，如MS-DOS和MacOS，為個(gè)人用戶提供了友好的操作界面。61990s圖形用戶界面操作系統(tǒng)出現(xiàn)，如Windows和Linux，帶來了更加直觀的操作體驗(yàn)。72000s至今移動(dòng)操作系統(tǒng)和云操作系統(tǒng)興起，滿足了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的應(yīng)用需求。操作系統(tǒng)的五大核心組件進(jìn)程管理負(fù)責(zé)創(chuàng)建、撤銷、調(diào)度和管理進(jìn)程，以及進(jìn)程間的通信和同步。內(nèi)存管理負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存資源，并為進(jìn)程提供地址空間，解決內(nèi)存碎片問題。文件管理負(fù)責(zé)文件存儲(chǔ)、組織、訪問和保護(hù)，提供文件系統(tǒng)的功能。設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備，為用戶提供統(tǒng)一的設(shè)備訪問接口。進(jìn)程的基本概念和狀態(tài)進(jìn)程的定義進(jìn)程是指一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，它是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程的組成進(jìn)程主要由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊（PCB）三部分組成。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程在其生命周期中會(huì)經(jīng)歷不同的狀態(tài)，如運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)等。進(jìn)程調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)最簡單的一種算法，按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，能有效提高系統(tǒng)吞吐量。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)先執(zhí)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)將時(shí)間分成多個(gè)時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程輪流獲得一個(gè)時(shí)間片，以實(shí)現(xiàn)公平性。進(jìn)程同步與互斥同步多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過程中，由于需要共享某些資源或數(shù)據(jù)，必須按照一定的順序進(jìn)行訪問，以確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。例如，兩個(gè)進(jìn)程需要訪問同一個(gè)文件，其中一個(gè)進(jìn)程正在寫入數(shù)據(jù)，另一個(gè)進(jìn)程則需要等待前一個(gè)進(jìn)程寫入完成后才能讀取數(shù)據(jù)。互斥多個(gè)進(jìn)程需要訪問同一個(gè)共享資源，但同一時(shí)刻只能允許一個(gè)進(jìn)程訪問該資源，以避免數(shù)據(jù)沖突。例如，多個(gè)進(jìn)程需要訪問同一個(gè)打印機(jī)，但同一時(shí)刻只能有一個(gè)進(jìn)程使用打印機(jī)。進(jìn)程通信機(jī)制共享內(nèi)存多個(gè)進(jìn)程可以訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。消息傳遞進(jìn)程之間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信，支持同步和異步通信。管道使用管道作為進(jìn)程間通信的通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的單向或雙向傳輸。內(nèi)存管理的基本概念內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將程序和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，并將內(nèi)存分配給不同的進(jìn)程和線程，以確保它們之間不會(huì)互相干擾。內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)要保護(hù)內(nèi)存，防止進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域，確保系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。內(nèi)存管理策略操作系統(tǒng)需要選擇合適的內(nèi)存管理策略，例如分頁、分段或虛擬內(nèi)存，以提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)性能。連續(xù)分配和分頁管理連續(xù)分配將內(nèi)存空間連續(xù)分配給進(jìn)程，簡單易實(shí)現(xiàn)。分頁管理將內(nèi)存空間分成固定大小的頁，進(jìn)程的邏輯地址空間被分成頁面，物理地址空間被分成頁框，頁面和頁框可以不連續(xù)分配。優(yōu)缺點(diǎn)比較連續(xù)分配效率低，內(nèi)存利用率低，而分頁管理效率高，內(nèi)存利用率高，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。虛擬內(nèi)存的基本原理內(nèi)存空間擴(kuò)展將磁盤空間作為內(nèi)存空間的擴(kuò)展，允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)只加載程序的一部分到內(nèi)存中。頁面置換當(dāng)程序需要訪問內(nèi)存中不存在的頁面時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)從磁盤中調(diào)入該頁面，并替換內(nèi)存中的其他頁面，以保證內(nèi)存空間的有效利用。虛擬地址轉(zhuǎn)換CPU訪問內(nèi)存時(shí)使用的是虛擬地址，操作系統(tǒng)通過地址轉(zhuǎn)換機(jī)制將其轉(zhuǎn)換成物理地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬內(nèi)存的訪問。分頁系統(tǒng)的頁面置換算法1最佳置換算法選擇將來最長時(shí)間不會(huì)被訪問的頁面進(jìn)行替換，性能最優(yōu)。2先進(jìn)先出算法淘汰最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面，實(shí)現(xiàn)簡單。3最近最少使用算法選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行淘汰，性能較好。4時(shí)鐘算法在先進(jìn)先出算法的基礎(chǔ)上添加引用位，有效提高命中率。外存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)磁盤磁盤由磁性材料制成，分為多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又分為多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可以存儲(chǔ)一定數(shù)量的字節(jié)。閃存閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，具有讀寫速度快、體積小、耐用等優(yōu)點(diǎn)，常用于存儲(chǔ)卡、U盤等。磁帶磁帶是一種順序存儲(chǔ)器，具有存儲(chǔ)容量大、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，常用于備份數(shù)據(jù)。磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法是操作系統(tǒng)中用于管理磁盤訪問請(qǐng)求的一種算法。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)請(qǐng)求訪問磁盤時(shí)，操作系統(tǒng)需要決定哪個(gè)進(jìn)程的請(qǐng)求先被處理。不同的調(diào)度算法對(duì)磁盤訪問效率有不同的影響，例如平均尋道時(shí)間、磁盤吞吐量等。文件系統(tǒng)的基本概念層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)組織文件，類似于樹狀結(jié)構(gòu)，方便管理和訪問文件。邏輯結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)定義文件在邏輯上的組織方式，如順序文件、索引文件等。物理結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)定義文件在物理存儲(chǔ)器上的組織方式，如連續(xù)分配、鏈接分配等。文件的邏輯結(jié)構(gòu)1順序結(jié)構(gòu)信息按照順序存儲(chǔ)，讀取時(shí)也按順序讀取，如文本文件。2鏈接結(jié)構(gòu)文件由若干數(shù)據(jù)塊組成，各塊之間通過鏈接方式組織，如多媒體文件。3索引結(jié)構(gòu)使用索引表來記錄數(shù)據(jù)塊的地址，提高文件訪問效率，如數(shù)據(jù)庫文件。目錄管理和文件保護(hù)目錄管理目錄管理負(fù)責(zé)組織文件，建立層次結(jié)構(gòu)，以便用戶方便地查找和訪問文件。例如，樹形結(jié)構(gòu)的目錄組織可以有效地管理大量文件。文件保護(hù)文件保護(hù)是為了防止未經(jīng)授權(quán)的訪問、修改或刪除文件。常用的保護(hù)機(jī)制包括訪問控制、權(quán)限設(shè)置和加密技術(shù)。設(shè)備管理的基本原理輸入設(shè)備用于將數(shù)據(jù)和指令輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。輸出設(shè)備用于將處理結(jié)果輸出到外部。存儲(chǔ)設(shè)備用于保存數(shù)據(jù)和程序。中斷的基本概念定義中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，由于某種事件發(fā)生而使CPU暫時(shí)停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一個(gè)程序或處理該事件，處理完后，再返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。分類中斷可以分為硬件中斷、軟件中斷和異常。其中，硬件中斷是由外部設(shè)備發(fā)出的，軟件中斷是由程序發(fā)出的，異常是由CPU自身產(chǎn)生的。處理流程中斷處理流程主要包括中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回四個(gè)步驟。中斷處理機(jī)制1中斷響應(yīng)保存CPU狀態(tài)2中斷處理執(zhí)行中斷處理程序3中斷返回恢復(fù)CPU狀態(tài)輸入輸出系統(tǒng)的工作原理輸入輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等，用于與外部世界交互。I/O系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)管理和控制I/O設(shè)備，并提供用戶接口，方便用戶使用設(shè)備。I/O操作涉及數(shù)據(jù)在CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備之間的傳輸，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。DMA技術(shù)直接內(nèi)存訪問DMA(DirectMemoryAccess)是直接內(nèi)存訪問技術(shù)，允許設(shè)備直接訪問內(nèi)存，而不需要通過CPU。效率提升DMA可以顯著提高I/O效率，因?yàn)镃PU不再需要參與數(shù)據(jù)的傳輸過程，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。應(yīng)用范圍DMA技術(shù)廣泛應(yīng)用于硬盤、網(wǎng)卡、聲卡等高速外設(shè)，有效提升數(shù)據(jù)傳輸速度。處理機(jī)調(diào)度的基本概念1資源分配處理器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最寶貴的資源之一，調(diào)度程序負(fù)責(zé)將處理器資源分配給不同的進(jìn)程。2提高效率通過合理調(diào)度，可以提高處理器利用率，減少系統(tǒng)開銷，提升整體性能。3公平分配調(diào)度程序的目標(biāo)是確保所有進(jìn)程都能公平地獲得處理器時(shí)間，防止某個(gè)進(jìn)程長時(shí)間占用處理器。處理器調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)最簡單的調(diào)度算法。按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。適合批處理系統(tǒng)。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇最短作業(yè)時(shí)間進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行，可以減少平均等待時(shí)間。但需要預(yù)知作業(yè)時(shí)間，不適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。優(yōu)先級(jí)調(diào)度每個(gè)進(jìn)程都具有優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行。適合具有重要性的進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片，然后切換到下一個(gè)進(jìn)程。適合分時(shí)系統(tǒng)，可以保證各個(gè)進(jìn)程都獲得運(yùn)行機(jī)會(huì)。死鎖的基本概念相互等待多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方釋放資源，形成循環(huán)等待。資源獨(dú)占進(jìn)程對(duì)已獲得的資源進(jìn)行獨(dú)占訪問，不允許其他進(jìn)程使用。不可剝奪進(jìn)程在釋放資源之前不能被其他進(jìn)程強(qiáng)占。請(qǐng)求和保持進(jìn)程在持有資源的情況下，可以繼續(xù)申請(qǐng)新的資源。死鎖的預(yù)防、避免和檢測1預(yù)防通過限制資源分配，避免死鎖的發(fā)生。2避免在資源分配時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，確保不會(huì)產(chǎn)生死鎖。3檢測通過算法檢測系統(tǒng)中是否已經(jīng)發(fā)生了死鎖，并采取措施解除死鎖。操作系統(tǒng)安全性問題1用戶身份驗(yàn)證確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)資源。2訪問控制限制用戶對(duì)特定文件和程序的訪問權(quán)限。3數(shù)據(jù)完整性保護(hù)數(shù)據(jù)免遭未經(jīng)授權(quán)的修改或刪除。4系統(tǒng)安全防止惡意軟件和攻擊者的入侵。操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)5CPU利用率反映CPU使用率，衡量操作系統(tǒng)效率。2吞吐量衡量系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理的任務(wù)數(shù)量。3響應(yīng)時(shí)間衡量系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求的響應(yīng)速度。4資源利用率衡量系統(tǒng)對(duì)各種資源的有效利用程度。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢云計(jì)算云計(jì)算平臺(tái)的興起為操作系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，例如云操作系統(tǒng)、容器技術(shù)等。移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)設(shè)備的普及促進(jìn)了移動(dòng)操作系統(tǒng)的發(fā)展，例如Android、