上海交通大學操作系統(tǒng)課件大全

上海交通大學操作系統(tǒng)課件大全歡迎來到上海交通大學操作系統(tǒng)課件大全，我們將一起探索操作系統(tǒng)的奧秘，從基礎知識到最新技術，帶您深入了解這個現(xiàn)代計算機的核心。課程簡介：操作系統(tǒng)的重要性操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的心臟，它是連接硬件和軟件的橋梁，管理著計算機的資源，為用戶提供一個友好的使用環(huán)境。作用操作系統(tǒng)負責管理計算機的硬件資源，包括CPU、內(nèi)存、磁盤、外設等，并提供各種服務，如進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、I/O管理等。課程目標：掌握1理解操作系統(tǒng)的核心概念，如進程、線程、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。2掌握操作系統(tǒng)的基本原理和工作機制，能夠分析和解決操作系統(tǒng)相關問題。3了解操作系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢，包括云計算、大數(shù)據(jù)、容器技術等。課程大綱：章節(jié)概覽1基礎知識操作系統(tǒng)簡介、發(fā)展史、類型和結構2進程管理進程的概念、狀態(tài)、控制塊、調(diào)度算法3線程線程的實現(xiàn)方式、同步機制4死鎖死鎖的產(chǎn)生、預防、避免和檢測5內(nèi)存管理內(nèi)存分配方式、虛擬內(nèi)存、頁面置換算法6文件系統(tǒng)文件概念、目錄結構、存儲方式、磁盤空間管理7I/O系統(tǒng)I/O設備分類、控制方式、驅動程序、緩沖區(qū)管理、磁盤調(diào)度算法8安全性身份認證、訪問控制、惡意代碼防范、保護機制9操作系統(tǒng)實例Linux內(nèi)核分析10發(fā)展趨勢云計算、大數(shù)據(jù)、容器技術、虛擬化技術、嵌入式操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)預備知識：計算機體系結構基礎CPU中央處理器，負責執(zhí)行程序指令，是計算機的核心。內(nèi)存隨機存取存儲器，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，速度快但容量有限。磁盤用于存儲數(shù)據(jù)，容量大但速度慢。外設鍵盤、鼠標、顯示器等，用于與用戶交互。操作系統(tǒng)發(fā)展史：從批處理到云計算1批處理系統(tǒng)將多個作業(yè)按順序執(zhí)行，效率低，無交互性。2分時系統(tǒng)允許多個用戶同時使用計算機，并能及時響應用戶的請求，交互性強。3實時系統(tǒng)對事件的響應時間有嚴格的要求，用于工業(yè)控制、航空航天等領域。4個人計算機系統(tǒng)為個人用戶提供一個簡單易用的操作系統(tǒng)，例如Windows、macOS。5網(wǎng)絡操作系統(tǒng)支持多個計算機之間的通信和資源共享，例如Unix、Linux。6云計算操作系統(tǒng)將計算資源作為服務提供給用戶，例如GoogleCloudPlatform、AWS。操作系統(tǒng)的作用和地位管理硬件資源操作系統(tǒng)負責管理CPU、內(nèi)存、磁盤、外設等硬件資源，并分配給不同的程序使用。提供系統(tǒng)服務操作系統(tǒng)為應用程序提供各種服務，例如進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、I/O管理等。用戶界面操作系統(tǒng)為用戶提供一個友好的界面，方便用戶使用計算機。操作系統(tǒng)的類型：批處理、分時、實時批處理系統(tǒng)將多個作業(yè)按順序執(zhí)行，效率低，無交互性，適合批量處理數(shù)據(jù)。分時系統(tǒng)允許多個用戶同時使用計算機，并能及時響應用戶的請求，交互性強，適合多人協(xié)作。實時系統(tǒng)對事件的響應時間有嚴格的要求，用于工業(yè)控制、航空航天等領域。操作系統(tǒng)結構：單內(nèi)核、微內(nèi)核單內(nèi)核將所有操作系統(tǒng)功能集中在一個內(nèi)核中，效率高，但代碼復雜，難以維護。微內(nèi)核將操作系統(tǒng)功能分成多個模塊，只有最基本的功能在內(nèi)核中，其他功能以模塊的形式運行，易于擴展和維護，但效率可能較低。系統(tǒng)調(diào)用：用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換用戶態(tài)應用程序運行在用戶態(tài)，訪問受限。系統(tǒng)調(diào)用當應用程序需要訪問系統(tǒng)資源時，會發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，進入內(nèi)核態(tài)。內(nèi)核態(tài)操作系統(tǒng)運行在內(nèi)核態(tài)，具有最高權限，可以訪問所有系統(tǒng)資源。進程管理：進程的概念進程是操作系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個基本單位，它是一個正在執(zhí)行的程序的實例，包含了程序代碼、數(shù)據(jù)以及運行時狀態(tài)。進程的狀態(tài)：新建、就緒、運行、阻塞、死亡新建進程正在創(chuàng)建，尚未準備好運行。1就緒進程已準備好運行，等待CPU分配。2運行進程正在執(zhí)行。3阻塞進程正在等待某個事件，例如I/O操作完成。4死亡進程已完成執(zhí)行，不再運行。5進程控制塊（PCB）：進程的身份證明進程標識符用于唯一標識一個進程，例如PID。進程狀態(tài)表示進程當前所處的狀態(tài)，例如新建、就緒、運行、阻塞、死亡。程序計數(shù)器指示程序執(zhí)行到哪個位置。CPU寄存器保存進程運行時的狀態(tài)信息。進程調(diào)度：調(diào)度算法概述進程調(diào)度是指操作系統(tǒng)按照一定的策略選擇一個或多個進程來運行，其目的是為了提高CPU利用率和系統(tǒng)吞吐量。先來先服務（FCFS）調(diào)度算法1算法描述按照進程到達的順序進行調(diào)度，先到達的進程先執(zhí)行。2優(yōu)點簡單易實現(xiàn)。3缺點容易造成短進程被長進程阻塞，導致系統(tǒng)效率低下。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）調(diào)度算法1算法描述每次選擇最短的作業(yè)來運行。2優(yōu)點平均等待時間最短。3缺點難以預測作業(yè)的運行時間，無法提前知道哪個作業(yè)最短。優(yōu)先級調(diào)度算法1算法描述為每個進程分配一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先運行。2優(yōu)點可以根據(jù)進程的優(yōu)先級進行調(diào)度，例如，實時進程優(yōu)先級高于普通進程。3缺點優(yōu)先級低的進程可能長期得不到執(zhí)行，導致饑餓現(xiàn)象。時間片輪轉調(diào)度算法1算法描述為每個進程分配一個時間片，每個進程運行一個時間片后，被掛起，然后選擇下一個進程運行。2優(yōu)點可以保證每個進程都能得到執(zhí)行，避免饑餓現(xiàn)象。3缺點時間片的設置需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，時間片過短會導致頻繁切換，降低效率。多級反饋隊列調(diào)度算法1算法描述設置多個優(yōu)先級隊列，每個隊列都有不同的時間片，新進程進入最高優(yōu)先級隊列，當進程超過時間片后，降級到下一個隊列。2優(yōu)點能夠兼顧不同類型進程的需求，并能較好地解決饑餓問題。3缺點算法實現(xiàn)較為復雜。線程：輕量級進程線程是操作系統(tǒng)能夠進行調(diào)度的最小單位，它是在進程內(nèi)部執(zhí)行的代碼流，多個線程共享同一個進程的地址空間和資源。線程的實現(xiàn)方式：用戶級線程、內(nèi)核級線程用戶級線程由用戶程序管理，線程的創(chuàng)建、調(diào)度和銷毀由用戶程序完成，效率高，但無法利用內(nèi)核提供的線程支持。內(nèi)核級線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理，線程的創(chuàng)建、調(diào)度和銷毀由內(nèi)核完成，可以利用內(nèi)核提供的線程支持，但效率可能較低。進程同步：臨界區(qū)問題當多個進程共享同一個資源時，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，需要協(xié)調(diào)它們對資源的訪問，這就是進程同步問題。臨界區(qū)是指每個進程訪問共享資源的代碼段。互斥鎖：保證獨占訪問互斥鎖是一種用于保護臨界區(qū)的同步機制，它可以保證同一時間只有一個進程可以訪問臨界區(qū)，其他進程必須等待互斥鎖釋放后才能訪問。信號量：控制資源訪問信號量是一種用于控制資源訪問的同步機制，它可以表示可用資源的數(shù)量，進程在訪問資源之前需要獲取信號量，當資源被占用時，信號量會減一，當資源釋放時，信號量會加一。管程：高級同步機制管程是一種高級的同步機制，它將臨界區(qū)和同步操作封裝在一個數(shù)據(jù)結構中，并提供了一組操作這些數(shù)據(jù)的函數(shù)，可以有效地解決同步問題。死鎖：死鎖的產(chǎn)生條件互斥資源必須是排他性的，即同一時間只能被一個進程使用。占有并等待進程已經(jīng)占有至少一個資源，并且正在等待另一個資源。不可剝奪進程不能強制釋放已經(jīng)獲得的資源，只有進程自己才能釋放資源。循環(huán)等待存在一個循環(huán)等待鏈，每個進程都在等待鏈中下一個進程所占有的資源。死鎖預防：破壞死鎖條件死鎖預防是指在系統(tǒng)設計時采取措施，破壞死鎖產(chǎn)生的條件，從而避免死鎖發(fā)生。死鎖避免：銀行家算法死鎖避免是指在資源分配過程中，根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)和未來資源需求，采取措施，避免系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)。銀行家算法是一種典型的死鎖避免算法。死鎖檢測與解除死鎖檢測是指在系統(tǒng)運行過程中，檢測系統(tǒng)是否發(fā)生了死鎖，如果發(fā)生死鎖，則需要進行死鎖解除。內(nèi)存管理：內(nèi)存分配方式內(nèi)存管理是指操作系統(tǒng)如何分配和管理計算機的內(nèi)存空間，其目的是為了有效地利用內(nèi)存資源，并防止程序之間的相互干擾。連續(xù)分配：固定分區(qū)、可變分區(qū)固定分區(qū)將內(nèi)存分成若干個固定大小的分區(qū)，每個分區(qū)只能被一個進程占用?？勺兎謪^(qū)將內(nèi)存劃分成多個大小不固定的分區(qū)，可以根據(jù)進程的大小進行分配，但會造成內(nèi)存碎片。非連續(xù)分配：分頁、分段分頁將進程的地址空間分成大小相同的頁面，將內(nèi)存也分成大小相同的頁框，頁面可以加載到任何頁框中。分段將進程的地址空間分成邏輯上連續(xù)的段，每個段可以有不同的長度，段可以加載到內(nèi)存中的任何位置。虛擬內(nèi)存：按需調(diào)頁虛擬內(nèi)存是指利用磁盤空間作為內(nèi)存的擴展，將程序的代碼和數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，只有需要的時候才加載到內(nèi)存中，從而可以運行比物理內(nèi)存容量更大的程序。頁表：虛擬地址到物理地址的映射頁表是一個數(shù)據(jù)結構，它記錄了虛擬地址到物理地址的映射關系，當進程訪問虛擬地址時，操作系統(tǒng)會通過頁表找到對應的物理地址。頁面置換算法：FIFO、LRU、OPTFIFO先進先出，最先進入內(nèi)存的頁面最先被替換。LRU最近最少使用，最久未被訪問的頁面最先被替換。OPT最佳置換，未來最長時間不會被訪問的頁面最先被替換，但無法實現(xiàn)。文件系統(tǒng)：文件概念文件系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)如何管理和存儲文件，它為用戶提供了一種方便的方式來組織和訪問數(shù)據(jù)。文件目錄結構：樹形結構文件目錄結構通常采用樹形結構，根目錄位于樹的頂端，其他目錄和文件作為樹的節(jié)點，通過路徑名可以訪問到任何文件或目錄。文件存儲方式：連續(xù)、鏈式、索引連續(xù)分配將文件連續(xù)存儲在磁盤上，效率高，但會造成磁盤空間碎片。鏈式分配將文件存儲在磁盤上的多個非連續(xù)塊中，每個塊包含指向下一個塊的指針，可以避免磁盤空間碎片，但效率較低。索引分配使用索引塊來記錄文件各個塊在磁盤上的位置，效率高，但需要額外的索引塊。磁盤空間管理：空閑空間列表、位圖空閑空間列表記錄磁盤上所有空閑塊的信息，當需要分配空間時，從列表中選擇合適的空閑塊。位圖使用位圖來表示磁盤空間的使用情況，每個位代表一個磁盤塊，1表示已占用，0表示空閑，當需要分配空間時，找到位圖中第一個為0的位。I/O系統(tǒng)：I/O設備分類輸入設備鍵盤、鼠標、掃描儀等，用于向計算機輸入數(shù)據(jù)。輸出設備顯示器、打印機、揚聲器等，用于將計算機處理的結果輸出給用戶。存儲設備磁盤、光驅、閃存等，用于存儲數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡設備網(wǎng)卡、路由器、交換機等，用于計算機之間的通信。I/O控制方式：輪詢、中斷、DMA輪詢CPU不斷地檢查I/O設備的狀態(tài)，效率低。中斷當I/O設備完成操作后，會向CPU發(fā)送中斷信號，CPU中斷當前任務處理中斷請求，效率高。DMA直接內(nèi)存訪問，I/O設備可以直接訪問內(nèi)存，不需要CPU干預，效率最高。設備驅動程序：連接硬件與軟件設備驅動程序是操作系統(tǒng)與硬件設備之間的橋梁，它負責控制硬件設備，并將硬件設備的信息提供給操作系統(tǒng)。緩沖區(qū)管理：提高I/O效率緩沖區(qū)是一種臨時存儲區(qū)域，用于緩存I/O數(shù)據(jù)，可以提高I/O效率，減少CPU等待時間。磁盤調(diào)度算法：FCFS、SSTF、SCAN、C-SCANFCFS先來先服務，按照請求到達的順序進行服務，簡單易實現(xiàn)，但可能造成磁頭移動距離較大。SSTF最短尋道時間優(yōu)先，每次選擇距離當前磁頭最近的請求進行服務，可以減少磁頭移動距離，但可能造成磁頭頻繁往返，效率低。SCAN掃描算法，磁頭從一個方向掃描到另一個方向，遇到請求就進行服務，可以減少磁頭移動距離，但可能會造成某些請求等待時間過長。C-SCAN循環(huán)掃描算法，磁頭掃描完一個方向后，從另一個方向的盡頭開始掃描，可以避免磁頭頻繁往返，提高效率。安全性：身份認證身份認證是指驗證用戶身份的過程，目的是為了防止未經(jīng)授權的用戶訪問系統(tǒng)資源。常用的身份認證方法包括用戶名密碼認證、生物特征認證等。訪問控制：權限管理訪問控制是指控制用戶對系統(tǒng)資源的訪問權限，目的是為了保護系統(tǒng)資源的安全，防止用戶誤操作或惡意操作。常用的訪問控制方法包括基于角色的訪問控制、基于屬性的訪問控制等。惡意代碼防范惡意代碼是指旨在破壞計算機系統(tǒng)或竊取用戶數(shù)據(jù)的代碼，例如病毒、木馬、蠕蟲等。操作系統(tǒng)需要提供防范惡意代碼的機制，例如殺毒軟件、防火墻等。保護機制：用戶權限分級操作系統(tǒng)通常將用戶分為不同的權限等級，例如管理員、普通用戶等，不同權限的用戶可以訪問不同的系統(tǒng)資源，從而保證系統(tǒng)的安全。操作系統(tǒng)實例：Linux內(nèi)核分析Linux是一個開源的操作系統(tǒng)，其內(nèi)核是操作系統(tǒng)中最核心的部分，它負責管理計算機的硬件資源，為用戶提供各種系統(tǒng)服務。Linux進程管理Linux進程管理是Linux內(nèi)核的一個重要組成部分，它負責管理進程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步、通信等。Linux內(nèi)存管理Linux內(nèi)存管理是Linux內(nèi)核的另一個重要組成部分，它負責管理計算機的內(nèi)存空間，包括內(nèi)存分配、虛擬內(nèi)存、頁面置換等。Linux文件系統(tǒng)Linux文件系統(tǒng)是Linux內(nèi)核的組成部分，它負責管理文件和目錄，為用戶提供一個文件存儲和訪問的框架。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：云計算、大數(shù)據(jù)隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術的快速發(fā)展，操作系統(tǒng)也面