《操作系統(tǒng)原理》課件

操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心組件之一。它管理系統(tǒng)資源，提供用戶與硬件之間的接口。課程簡介核心內(nèi)容本課程涵蓋操作系統(tǒng)基本原理，包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等核心概念。實踐能力通過理論學(xué)習(xí)與實踐演練，培養(yǎng)學(xué)生操作系統(tǒng)相關(guān)的編程能力和應(yīng)用能力。教學(xué)目標(biāo)幫助學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)工作機制，為后續(xù)的軟件開發(fā)和系統(tǒng)維護打下堅實基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的軟件之一，它管理著計算機系統(tǒng)的所有資源，并為用戶提供一個友好的使用界面。操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，它為應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境，并管理硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)等。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)中各種資源的分配和使用，包括CPU時間、內(nèi)存空間、磁盤空間和網(wǎng)絡(luò)帶寬等。操作系統(tǒng)功能1資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機的各種資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備和外設(shè)。2進(jìn)程管理操作系統(tǒng)創(chuàng)建、調(diào)度和終止進(jìn)程，以確保它們能夠有效地共享CPU資源。3內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存空間，以滿足不同進(jìn)程的需求。4設(shè)備管理操作系統(tǒng)管理計算機上的各種輸入/輸出設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機和網(wǎng)絡(luò)接口。操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單內(nèi)核結(jié)構(gòu)單內(nèi)核結(jié)構(gòu)將所有操作系統(tǒng)組件集成到一個內(nèi)核中，提供系統(tǒng)級服務(wù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全。例如，Linux、Unix。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)核心功能最小化，其他服務(wù)作為獨立模塊運行，提高靈活性和可擴展性。例如，Mach、L4?；旌蟽?nèi)核結(jié)構(gòu)混合內(nèi)核結(jié)構(gòu)結(jié)合了單內(nèi)核和微內(nèi)核的優(yōu)點，提供高效性和靈活性的平衡。例如，Windows。進(jìn)程管理進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)創(chuàng)建、管理和終止進(jìn)程。1創(chuàng)建進(jìn)程進(jìn)程創(chuàng)建需要分配資源并創(chuàng)建進(jìn)程控制塊。2管理進(jìn)程管理進(jìn)程包括調(diào)度、同步和通信。3終止進(jìn)程進(jìn)程終止需要釋放資源并刪除進(jìn)程控制塊。進(jìn)程管理的任務(wù)是確保操作系統(tǒng)能夠高效地利用系統(tǒng)資源，并為用戶提供良好的服務(wù)。進(jìn)程的狀態(tài)就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備好運行，但正在等待CPU時間。運行狀態(tài)進(jìn)程正在執(zhí)行，其指令正在CPU上執(zhí)行。阻塞狀態(tài)進(jìn)程正在等待某個事件發(fā)生，例如I/O完成或資源可用。終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程已完成執(zhí)行，不再需要運行。進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊(PCB)PCB是操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程的結(jié)構(gòu)，包含進(jìn)程的基本信息和狀態(tài)。關(guān)鍵屬性進(jìn)程標(biāo)識符、進(jìn)程狀態(tài)、程序計數(shù)器、CPU寄存器、內(nèi)存地址空間、I/O狀態(tài)、優(yōu)先級等信息。管理進(jìn)程PCB用于調(diào)度、切換、同步、通信等進(jìn)程管理操作。操作系統(tǒng)核心PCB是操作系統(tǒng)內(nèi)核的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于協(xié)調(diào)和控制進(jìn)程的運行。進(jìn)程調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)按進(jìn)程到達(dá)時間先后順序進(jìn)行調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但可能導(dǎo)致較長等待時間。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇執(zhí)行時間最短的進(jìn)程，提高系統(tǒng)吞吐率，但難以預(yù)測未來執(zhí)行時間。時間片輪轉(zhuǎn)(RR)給每個進(jìn)程分配一個時間片，輪流執(zhí)行，實現(xiàn)公平性，但可能導(dǎo)致較多上下文切換。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級高低進(jìn)行調(diào)度，可靈活調(diào)整，但可能導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象。并發(fā)問題與解決方案并發(fā)是指多個程序或進(jìn)程同時運行，共享系統(tǒng)資源。這會導(dǎo)致一些問題，例如資源競爭、數(shù)據(jù)一致性問題和死鎖。1競爭條件多個進(jìn)程同時訪問共享資源，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。2死鎖兩個或多個進(jìn)程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。3數(shù)據(jù)一致性多個進(jìn)程對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或不一致。操作系統(tǒng)提供了一些機制來解決并發(fā)問題，例如互斥鎖、信號量和條件變量。這些機制可以確保對共享資源的訪問是互斥的，并且數(shù)據(jù)的一致性得到保證。同步與互斥同步多個進(jìn)程需要協(xié)調(diào)工作才能完成任務(wù)，例如多個進(jìn)程同時訪問共享資源，需要確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性?；コ獯_保同一時間只有一個進(jìn)程能夠訪問共享資源，以防止數(shù)據(jù)沖突和不一致。例如，一個進(jìn)程在寫數(shù)據(jù)時，其他進(jìn)程無法訪問或修改數(shù)據(jù)，直到寫操作完成。死鎖問題與預(yù)防11.資源競爭多個進(jìn)程競爭有限的資源，例如打印機或CPU時間。22.循環(huán)等待多個進(jìn)程互相等待對方持有的資源，形成一個循環(huán)。33.解決方案死鎖預(yù)防、死鎖避免、死鎖檢測和死鎖恢復(fù)。44.預(yù)防策略打破循環(huán)等待條件，破壞系統(tǒng)資源的分配順序。內(nèi)存管理1內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機的內(nèi)存資源，為不同的程序分配內(nèi)存空間，避免相互干擾。2內(nèi)存保護防止程序訪問未分配給它的內(nèi)存區(qū)域，保護操作系統(tǒng)和其它程序的安全，避免系統(tǒng)崩潰。3內(nèi)存共享多個程序共享內(nèi)存，例如共享庫和數(shù)據(jù)，提高內(nèi)存使用效率。虛擬內(nèi)存概述概念虛擬內(nèi)存是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。它使用硬盤空間作為虛擬內(nèi)存的一部分，將程序和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，并根據(jù)需要進(jìn)行交換。優(yōu)勢虛擬內(nèi)存可以讓程序運行在比物理內(nèi)存小的系統(tǒng)中，并提高系統(tǒng)效率。它還可以幫助程序訪問更多的內(nèi)存，并提高系統(tǒng)的安全性。工作原理虛擬內(nèi)存使用頁表來映射虛擬地址和物理地址。當(dāng)程序訪問虛擬地址時，頁表會將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，并從內(nèi)存或硬盤中讀取數(shù)據(jù)。應(yīng)用場景虛擬內(nèi)存廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)，例如Windows，Linux，macOS等。它對于運行大型程序或多任務(wù)處理至關(guān)重要。頁式/段式管理頁式管理將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁，物理內(nèi)存也劃分為相同大小的頁框。段式管理將邏輯地址空間劃分為大小可變的段，物理內(nèi)存也劃分為大小可變的段框。頁面置換算法最佳置換算法(OPT)最佳置換算法是理想情況下最優(yōu)算法，它選擇未來最長時間不會被訪問的頁面進(jìn)行替換，但無法在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。先進(jìn)先出(FIFO)最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面被最先替換，簡單易實現(xiàn)，但可能將經(jīng)常使用的頁面替換出去。最近最少使用(LRU)替換最近最少使用的頁面，假設(shè)最近不使用的頁面將來也不太可能被使用，在實際應(yīng)用中效果較好。時鐘算法時鐘算法是一種近似LRU的算法，它使用一個循環(huán)隊列記錄頁面的使用情況，選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行替換。設(shè)備管理硬件抽象層操作系統(tǒng)為用戶程序提供統(tǒng)一的接口，屏蔽底層硬件差異，簡化用戶程序開發(fā)。設(shè)備驅(qū)動程序操作系統(tǒng)提供專用的驅(qū)動程序，控制特定類型的硬件設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的訪問和控制。設(shè)備分配和管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和管理系統(tǒng)中的各種設(shè)備，例如CPU、內(nèi)存、磁盤、打印機等。設(shè)備獨立性用戶程序可以通過統(tǒng)一的接口訪問各種設(shè)備，無需關(guān)心具體設(shè)備的類型和驅(qū)動程序。I/O調(diào)度操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和調(diào)度I/O操作，提高系統(tǒng)效率，減少等待時間。磁盤管理1數(shù)據(jù)存儲硬盤是操作系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的主要媒介。它包含扇區(qū)、磁道和柱面，以組織數(shù)據(jù)。2磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法優(yōu)化了磁頭移動，減少了磁盤訪問時間，提高了系統(tǒng)效率。3文件系統(tǒng)支持磁盤管理系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)接口，允許操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)組織成文件和目錄。4數(shù)據(jù)安全磁盤管理系統(tǒng)通過備份、恢復(fù)和數(shù)據(jù)校驗機制，確保數(shù)據(jù)安全性和完整性。文件系統(tǒng)文件組織方式文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織和管理存儲在磁盤上的文件。它使用目錄結(jié)構(gòu)來組織文件，允許用戶方便地創(chuàng)建、刪除、修改和訪問文件。樹形結(jié)構(gòu)線性結(jié)構(gòu)文件存儲策略文件系統(tǒng)需要選擇合適的存儲策略，例如連續(xù)分配、鏈接分配或索引分配。這些策略影響著文件存儲的效率和性能。文件組織與存儲目錄結(jié)構(gòu)文件組織成層次結(jié)構(gòu)，方便管理。磁盤分配文件分配磁盤空間，采用多種分配策略。索引節(jié)點索引節(jié)點包含文件屬性和數(shù)據(jù)塊地址信息。文件訪問控制訪問權(quán)限用戶訪問文件有三種權(quán)限：讀取、寫入和執(zhí)行。訪問控制列表ACL詳細(xì)記錄文件所有者、組和其他用戶對文件的訪問權(quán)限。安全策略操作系統(tǒng)強制執(zhí)行安全策略，保護系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)。安全與保護訪問控制操作系統(tǒng)提供訪問控制機制，以確保系統(tǒng)資源的安全性。例如，用戶賬戶、權(quán)限管理、文件訪問權(quán)限等。數(shù)據(jù)完整性保護數(shù)據(jù)免受未經(jīng)授權(quán)的修改和刪除。例如，使用校驗和、加密等技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)安全防止惡意軟件、病毒、黑客攻擊等安全威脅，維護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)調(diào)用定義系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的接口，提供用戶程序訪問系統(tǒng)資源的能力。機制用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用指令發(fā)起請求，內(nèi)核根據(jù)請求類型進(jìn)行處理并返回結(jié)果。類型常見的系統(tǒng)調(diào)用包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備管理等。優(yōu)勢系統(tǒng)調(diào)用保證了系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，也簡化了用戶程序的開發(fā)。中斷處理機制1中斷發(fā)生CPU遇到外部事件2中斷處理CPU保存當(dāng)前狀態(tài)3中斷服務(wù)程序處理中斷事件4返回恢復(fù)原狀態(tài)中斷處理機制是操作系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)CPU遇到外部事件，如鍵盤輸入或磁盤讀寫完成，就會觸發(fā)中斷。中斷處理機制負(fù)責(zé)將CPU從當(dāng)前工作狀態(tài)切換到中斷處理狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，最終返回原狀態(tài)。操作系統(tǒng)引導(dǎo)過程1加電自檢(POST)計算機通電后，首先執(zhí)行BIOS自檢程序，測試硬件是否正常工作。2引導(dǎo)加載程序(BootLoader)從硬盤或其他啟動設(shè)備加載操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，它負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)并將控制權(quán)傳遞給操作系統(tǒng)內(nèi)核。3操作系統(tǒng)內(nèi)核加載操作系統(tǒng)內(nèi)核被加載到內(nèi)存，并初始化系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、中斷、進(jìn)程等。4系統(tǒng)初始化完成系統(tǒng)初始化后，操作系統(tǒng)開始加載驅(qū)動程序，并進(jìn)入用戶界面，等待用戶命令。實時操作系統(tǒng)實時性實時操作系統(tǒng)必須及時響應(yīng)外部事件，并在預(yù)定的時間內(nèi)完成任務(wù)。確定性實時操作系統(tǒng)必須能夠預(yù)測系統(tǒng)對事件的響應(yīng)時間，并保證系統(tǒng)行為的一致性?？煽啃詫崟r操作系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性，防止意外事件導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崟r操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理器和存儲空間。實時性嵌入式系統(tǒng)通常需要在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)完成任務(wù)，這對于實時應(yīng)用至關(guān)重要。專用性嵌入式操作系統(tǒng)通常針對特定硬件和應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化，這使得它們非常高效且可靠?？煽啃郧度胧较到y(tǒng)通常需要在極端條件下運行，因此可靠性至關(guān)重要。案例分析:Windows操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)是全球最流行的操作系統(tǒng)之一，它支持各種硬件和軟件，為用戶提供圖形界面和多任務(wù)處理功能。Windows操作系統(tǒng)采用微內(nèi)核架構(gòu)，它包含多個組件，例如文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理等。Windows操作系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用程序支持，可以滿足各種用戶的需求，從日常辦公到游戲娛樂。案例分析:Linux操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)是開源的，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)和桌面環(huán)境。其特點包括：開源和免費穩(wěn)定可靠強大的社區(qū)支持豐富的軟件庫操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢1云計算與虛擬化云計算平臺提供靈活的資源和可擴展性。虛擬化技術(shù)可以創(chuàng)建多個虛擬機，提高資源利用率。2人工智能與機器學(xué)習(xí)人工智能在操作系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，例如智