現(xiàn)代操作系統(tǒng)課件

現(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。它管理硬件資源，為應用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)核心操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心軟件，負責管理計算機系統(tǒng)的所有資源。提供用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供一個易于使用的接口，方便用戶操作計算機。資源管理操作系統(tǒng)負責管理計算機的硬件資源，例如CPU、內存、硬盤、網絡等。應用程序運行環(huán)境操作系統(tǒng)為應用程序提供運行環(huán)境，并保證應用程序正常運行。操作系統(tǒng)的功能管理計算機硬件操作系統(tǒng)負責管理計算機硬件，例如CPU、內存、磁盤和網絡設備。它為應用程序提供訪問硬件資源的接口，并確保資源的有效利用。提供用戶接口操作系統(tǒng)提供用戶界面，使用戶能夠與計算機進行交互。用戶界面可以是圖形界面（GUI）或命令行界面（CLI）。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)20世紀50年代出現(xiàn)批處理操作系統(tǒng)，提高了計算機利用率。例如，通用自動程序控制系統(tǒng)（UNIVAC）和通用業(yè)務自動化系統(tǒng)（IBM704）。2分時操作系統(tǒng)20世紀60年代出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)，如CTSS和Multics，允許多個用戶同時使用一臺計算機。3現(xiàn)代操作系統(tǒng)20世紀70年代至80年代，Unix和Windows等現(xiàn)代操作系統(tǒng)應運而生，提供了圖形界面、多任務處理和網絡功能。4云計算操作系統(tǒng)21世紀，云計算技術的發(fā)展推動了云操作系統(tǒng)（例如，GoogleChromeOS和AmazonWebServices）的出現(xiàn)，它們基于云計算模型提供服務。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)早期的操作系統(tǒng)類型，通常用于大型機和服務器，以批次方式執(zhí)行作業(yè)。主要用于數(shù)據處理和科學計算。分時操作系統(tǒng)允許多個用戶同時使用一臺計算機，并共享系統(tǒng)資源，例如CPU、內存和外設。使用時間片輪轉調度算法來實現(xiàn)多用戶共享。實時操作系統(tǒng)主要用于工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)和實時應用，要求系統(tǒng)快速響應外部事件，并及時處理數(shù)據，通常用于需要實時控制和高可靠性的場景。單用戶操作系統(tǒng)主要用于個人電腦，通常為單個用戶提供桌面環(huán)境和應用軟件，例如Windows、macOS和Linux。操作系統(tǒng)的結構操作系統(tǒng)結構是指操作系統(tǒng)各個組件的組織方式，決定了系統(tǒng)資源管理和調度策略的效率。常見的結構包括分層式結構、微內核結構、模塊化結構和面向對象結構。分層式結構將操作系統(tǒng)劃分為若干層級，每層只與相鄰層交互，便于理解和維護。微內核結構將核心功能簡化為最小集，其他功能由運行在用戶空間的模塊實現(xiàn)，靈活性高。模塊化結構將操作系統(tǒng)劃分為獨立模塊，方便維護和擴展。面向對象結構將操作系統(tǒng)設計為一系列對象，每個對象封裝了數(shù)據和操作，提高了代碼重用性和可維護性。進程管理進程定義進程是程序的一次執(zhí)行過程，是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。進程管理功能進程管理負責創(chuàng)建、終止、調度和同步進程，確保系統(tǒng)資源的有效利用。進程狀態(tài)進程在運行過程中會經歷不同的狀態(tài)，包括運行、就緒、阻塞和終止等。進程的描述及狀態(tài)轉換創(chuàng)建進程創(chuàng)建后，操作系統(tǒng)為其分配必要的資源，如內存空間、進程控制塊等，并將其置于“就緒”狀態(tài)，等待被調度執(zhí)行。就緒進程處于就緒狀態(tài)，意味著它已經準備好了執(zhí)行，但由于沒有獲得CPU，它暫時無法執(zhí)行。運行進程獲得CPU后，便進入運行狀態(tài)，開始執(zhí)行其代碼。阻塞進程在等待某個事件發(fā)生，例如I/O操作完成或其他資源可用，此時進程會進入阻塞狀態(tài)。終止當進程執(zhí)行完畢或出現(xiàn)異常情況，進程將被終止，并釋放其占用的資源。進程的調度11.進程調度概述進程調度是操作系統(tǒng)管理多個進程的關鍵機制，它決定了哪個進程獲得CPU時間片，并分配資源。22.目標目標是最大限度地提高CPU利用率，最小化平均等待時間和響應時間，并確保公平性。33.調度算法常見的調度算法包括先到先服務、最短作業(yè)優(yōu)先、優(yōu)先級調度、輪轉調度等。44.實現(xiàn)操作系統(tǒng)使用調度程序來選擇和運行進程，調度程序會根據算法選擇下一個要執(zhí)行的進程。進程同步與互斥信號量信號量是進程間通信的一種機制，用于協(xié)調多個進程對共享資源的訪問?；コ怄i互斥鎖是一種同步機制，用于確保在任何時候只有一個進程可以訪問共享資源。條件變量條件變量是用于實現(xiàn)進程間通信的同步機制，允許線程等待特定條件的發(fā)生。管程管程是一種高級的同步機制，它將共享資源及其訪問方法封裝在一個抽象數(shù)據類型中，確保同步的正確性。內存管理11.虛擬內存虛擬內存是利用硬盤空間來擴展內存容量，從而允許運行更大的程序，并提高系統(tǒng)效率。22.內存分配策略內存分配策略是指如何將內存分配給不同的程序，常用的策略有：首次適應算法、最佳適應算法、最差適應算法。33.頁面置換算法頁面置換算法是在虛擬內存系統(tǒng)中，當內存空間不足時，需要將部分頁面換出到磁盤上，常用的頁面置換算法包括：FIFO、LRU、OPT。44.內存保護內存保護是為了防止程序訪問其他程序的內存空間，常見的保護機制包括：地址空間隔離、內存訪問權限控制。內存分配策略首次適應算法首次適應算法從內存的開始位置開始查找，找到第一個足夠大的空閑分區(qū)分配給進程。簡單易懂，但可能會導致內存碎片化。最佳適應算法最佳適應算法從內存的開始位置查找，找到最適合的空閑分區(qū)分配給進程。可以減少內存碎片化，但搜索時間較長。最差適應算法最差適應算法選擇最大的空閑分區(qū)分配給進程?？赡軙е聝却嫠槠梢詾榇笮瓦M程分配更大空間?；锇橄到y(tǒng)算法伙伴系統(tǒng)算法將內存劃分為大小為2的冪次方的分區(qū)，并采用二叉樹管理空閑分區(qū)?？梢杂行p少內存碎片化，但對內存大小有限制。虛擬內存虛擬內存概念虛擬內存是一種內存管理技術，它允許程序使用比物理內存更大的地址空間。虛擬內存利用磁盤空間作為額外的內存，將程序代碼和數(shù)據分成頁面，并將這些頁面存儲在磁盤上。虛擬地址空間操作系統(tǒng)為每個進程創(chuàng)建了一個虛擬地址空間，它是一個邏輯地址空間，與物理地址空間不同。虛擬地址空間中的地址稱為虛擬地址，這些地址被映射到物理地址空間中的物理地址。頁面置換算法FIFO先進先出算法，最早進入內存的頁面被最先替換。簡單易行，但容易出現(xiàn)Belady現(xiàn)象。LRU最近最少使用算法，最近使用過的頁面被保留，最久未使用的頁面被替換。性能較好，但需要額外的空間記錄頁面使用信息。OPT最佳頁面置換算法，選擇未來最長時間內不會被訪問的頁面進行替換。理論上最優(yōu)，但無法實現(xiàn)，僅用于比較其他算法。CLOCK時鐘算法，通過循環(huán)訪問頁面，并使用一個位標記頁面是否被訪問，選擇最久未被訪問的頁面進行替換。性能接近LRU，實現(xiàn)相對簡單。設備管理硬件管理設備管理負責管理計算機系統(tǒng)中的所有硬件設備，包括CPU、內存、磁盤、打印機、鍵盤等。資源分配當多個進程或用戶需要使用同一設備時，設備管理需要負責分配資源，防止沖突。設備驅動程序設備驅動程序是操作系統(tǒng)與硬件設備之間溝通的橋梁，負責控制硬件設備的工作。設備獨立性設備獨立性是指應用程序不需要關心具體使用的設備類型，只需要通過統(tǒng)一的接口訪問設備。磁盤管理磁盤驅動器磁盤驅動器是計算機系統(tǒng)的核心組件，負責存儲和檢索數(shù)據。磁盤分區(qū)磁盤分區(qū)將磁盤劃分為多個邏輯單元，以便更有效地組織和管理數(shù)據。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)提供了一種結構化的方式來組織和訪問磁盤上的數(shù)據。磁盤讀寫操作操作系統(tǒng)負責管理磁盤的讀寫操作，確保數(shù)據安全可靠地存儲和訪問。文件管理文件組織與訪問文件系統(tǒng)管理所有文件，讓用戶輕松找到、訪問和管理數(shù)據。它使用目錄結構來組織文件，并提供各種操作，例如創(chuàng)建、刪除、修改和復制文件。數(shù)據安全與完整性文件系統(tǒng)負責保護文件免受意外刪除或損壞，并提供訪問控制機制，確保數(shù)據安全。它還管理文件備份和恢復機制，以防止數(shù)據丟失。文件存儲結構線性結構文件是一個連續(xù)的線性空間，每個文件占據一個連續(xù)的磁盤塊。樹形結構文件是一個樹狀結構，每個文件可以有子文件，并且可以以層次化的方式進行組織。圖狀結構文件是一個圖結構，每個文件可以指向其他文件，并且可以以非層次化的方式進行組織。文件系統(tǒng)11.文件組織方式文件系統(tǒng)將文件組織成樹狀結構，方便用戶管理和訪問。22.文件訪問控制它提供訪問權限控制，保護文件免受未經授權的訪問。33.數(shù)據存儲管理文件系統(tǒng)負責管理磁盤空間，為文件分配和釋放存儲空間。44.文件操作支持它提供各種文件操作，例如創(chuàng)建、刪除、讀取、寫入和重命名。輸入輸出管理I/O設備輸入/輸出設備用于與外部世界交互，包括鍵盤、鼠標、顯示器、硬盤等。I/O控制操作系統(tǒng)管理I/O設備，包括分配、控制和協(xié)調它們，確保高效使用。I/O驅動程序驅動程序是軟件，它們提供了特定設備的接口，使操作系統(tǒng)能夠控制它們。I/O緩沖緩沖區(qū)用于臨時存儲數(shù)據，以便在速度不匹配的設備之間進行傳輸。中斷機制中斷類型硬件中斷軟件中斷異常中斷處理流程中斷處理程序執(zhí)行，保護現(xiàn)場，處理中斷，恢復現(xiàn)場，返回主程序。中斷向量表存儲中斷處理程序的地址，用于快速定位處理程序。系統(tǒng)調用11.用戶態(tài)與內核態(tài)系統(tǒng)調用是用戶程序與內核之間通信的橋梁。22.權限轉換用戶程序通過系統(tǒng)調用進入內核態(tài)執(zhí)行特定操作。33.安全保障系統(tǒng)調用提供了一層安全機制，防止用戶程序直接訪問內核資源。44.豐富功能系統(tǒng)調用提供了一系列操作系統(tǒng)的核心功能，如文件管理、進程管理等。保護與安全訪問控制操作系統(tǒng)實現(xiàn)訪問控制，保護系統(tǒng)資源免受非法訪問。用戶身份驗證，權限管理和訪問控制列表確保數(shù)據和系統(tǒng)安全。安全機制加密、數(shù)字簽名、防火墻、入侵檢測系統(tǒng)等安全機制保障系統(tǒng)數(shù)據完整性和機密性。操作系統(tǒng)提供安全機制，防止惡意軟件攻擊和數(shù)據泄露。操作系統(tǒng)的性能評估操作系統(tǒng)的性能評估對于了解系統(tǒng)運行效率和穩(wěn)定性至關重要。通過評估，我們可以識別瓶頸，優(yōu)化資源分配，提高系統(tǒng)性能。5指標響應時間、吞吐量、資源利用率10方法基準測試、性能分析工具15工具性能計數(shù)器、跟蹤工具、分析軟件20評估系統(tǒng)性能、資源利用、可靠性操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢云計算云計算技術逐漸普及，操作系統(tǒng)向云環(huán)境遷移，虛擬化技術和資源池管理成為核心。移動操作系統(tǒng)移動設備的普及推動了移動操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，其特點是輕量級、高效，支持多任務處理和移動互聯(lián)網。人工智能人工智能技術與操作系統(tǒng)相結合，帶來更智能的操作系統(tǒng)，例如自動任務調度、智能資源分配和個性化服務。安全與隱私安全和隱私成為未來操作系統(tǒng)的關鍵關注點，操作系統(tǒng)需要提供更強大的安全機制和隱私保護功能。單處理器操作系統(tǒng)單處理器操作系統(tǒng)定義單處理器操作系統(tǒng)是指在一個系統(tǒng)中只有一個中央處理器的操作系統(tǒng)。它只能在同一時間執(zhí)行一個任務。優(yōu)點成本較低相對簡單易于維護適合對性能要求不高的應用缺點處理能力有限無法充分利用多核處理器的性能多處理器操作系統(tǒng)共享資源多個處理器共享相同的內存和外設，提高資源利用率。并行處理多個處理器同時執(zhí)行不同的任務，提高系統(tǒng)性能。通信機制處理器之間需要相互通信協(xié)調，以確保系統(tǒng)正常運行。數(shù)據一致性確保多個處理器對共享數(shù)據的訪問一致，防止數(shù)據沖突。實時操作系統(tǒng)航空航天實時操作系統(tǒng)在航空航天領域至關重要，控制飛機飛行和導航系統(tǒng)。工業(yè)自動化實時操作系統(tǒng)在工業(yè)自動化中廣泛應用，例如控制生產線、機器人和傳感器。醫(yī)療設備實時操作系統(tǒng)是醫(yī)療設備的關鍵組成部分，例如心電圖儀、呼吸機和手術機器人。分布式操作系統(tǒng)資源共享分布式操作系統(tǒng)允許在不同計算機之間共享硬件和軟件資源，例如磁盤存儲空間、打印機和應用程序?？煽啃酝ㄟ^將系統(tǒng)分布在多個計算機上，分布式操作系統(tǒng)可以提高容錯性和可靠性，即使其中一臺計算機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也可以繼續(xù)運行。可擴展性分布式操作系統(tǒng)可以輕松地擴展到處理更多用戶和數(shù)據，從而滿足不斷增長的需求。高性能通過將任務分配給多個計算機，分布式操作系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)性能，并加速計算過程。移動操作系統(tǒng)移動設備優(yōu)化移動操作系統(tǒng)針對移動設備進行優(yōu)化，包括低功耗、觸摸屏交互和移動網絡連接等特性。應用生態(tài)系統(tǒng)移動操作