《操作系統(tǒng)引論上》課件

《操作系統(tǒng)引論》操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它管理著計(jì)算機(jī)的硬件資源并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。本課程將深入探討操作系統(tǒng)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵功能以及設(shè)計(jì)原理。操作系統(tǒng)的定義和作用定義操作系統(tǒng)是一個(gè)管理和控制計(jì)算機(jī)硬件資源的軟件系統(tǒng)，為用戶提供一個(gè)友好的接口，使計(jì)算機(jī)資源得到有效利用。作用操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源，如處理器、內(nèi)存、外設(shè)等，并提供各種系統(tǒng)服務(wù)，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)最早的操作系統(tǒng)是批處理系統(tǒng)，它們在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)。批處理系統(tǒng)一次處理多個(gè)作業(yè)，但效率低下，缺乏交互性。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代興起，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺計(jì)算機(jī)。它提供多任務(wù)處理，提高了資源利用率和用戶體驗(yàn)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來，專門用于需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用，例如工業(yè)控制和航空航天?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)融合了各種功能，包括圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)支持、安全性和可靠性等。它們廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和移動設(shè)備。操作系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能11.資源管理操作系統(tǒng)管理硬件資源，分配給不同的用戶和應(yīng)用程序。22.用戶接口提供用戶和計(jì)算機(jī)之間交互的接口，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。33.程序執(zhí)行管理負(fù)責(zé)程序的加載、執(zhí)行、調(diào)度和終止，確保程序正常運(yùn)行。44.數(shù)據(jù)管理操作系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)存儲和訪問，確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)其內(nèi)部組織方式，是實(shí)現(xiàn)其功能和性能的關(guān)鍵常見的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括分層式、微內(nèi)核、模塊化等分層式結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)功能劃分為多個(gè)層次，逐層調(diào)用，清晰易懂，但效率較低微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將核心功能最小化，其余功能通過服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，靈活可擴(kuò)展，但復(fù)雜度增加模塊化結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)功能分解為模塊，方便維護(hù)和升級，但模塊之間可能存在依賴關(guān)系進(jìn)程的基本概念進(jìn)程定義進(jìn)程是一個(gè)正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，它是一個(gè)動態(tài)的概念，它包含程序代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和系統(tǒng)資源等信息。進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程特點(diǎn)進(jìn)程是獨(dú)立的，擁有自己的內(nèi)存空間和資源。進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)運(yùn)行，提高系統(tǒng)資源利用率。進(jìn)程模型進(jìn)程模型描述進(jìn)程的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，常見的進(jìn)程模型有單線程模型、多線程模型和多進(jìn)程模型。進(jìn)程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換1運(yùn)行進(jìn)程正在占用CPU，執(zhí)行程序代碼。2就緒進(jìn)程已準(zhǔn)備好運(yùn)行，等待分配CPU。3阻塞進(jìn)程等待某個(gè)事件發(fā)生，例如I/O完成或資源可用。4創(chuàng)建進(jìn)程正在被創(chuàng)建。5終止進(jìn)程已完成執(zhí)行或遇到錯(cuò)誤。進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換是指進(jìn)程在生命周期中，狀態(tài)之間的切換。例如，當(dāng)一個(gè)就緒狀態(tài)的進(jìn)程被分配到CPU時(shí)，它將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程等待某個(gè)事件發(fā)生時(shí)，它將從運(yùn)行狀態(tài)或就緒狀態(tài)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，阻塞狀態(tài)的進(jìn)程將進(jìn)入就緒狀態(tài)。線程的基本概念線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位，是進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行流。線程共享進(jìn)程的資源，包括內(nèi)存空間、打開的文件和信號量等。線程可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)效率，并能夠減少上下文切換開銷。線程的創(chuàng)建和銷毀相對輕量級，使其成為處理并發(fā)任務(wù)的理想選擇。線程與進(jìn)程的關(guān)系多個(gè)線程一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，每個(gè)線程都共享同一個(gè)進(jìn)程空間和資源。并發(fā)執(zhí)行線程允許在單個(gè)進(jìn)程內(nèi)實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，提高程序的效率和響應(yīng)速度。協(xié)作線程之間可以互相通信和協(xié)作，例如共享數(shù)據(jù)或同步操作。進(jìn)程調(diào)度的基本原理CPU資源分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將CPU時(shí)間分配給不同的進(jìn)程，以確保所有進(jìn)程都能得到執(zhí)行機(jī)會。進(jìn)程切換當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要等待資源或執(zhí)行完畢后，操作系統(tǒng)需要將CPU控制權(quán)切換到另一個(gè)進(jìn)程。調(diào)度策略操作系統(tǒng)需要根據(jù)不同的調(diào)度算法來決定哪個(gè)進(jìn)程優(yōu)先獲得CPU時(shí)間，以提高系統(tǒng)效率。進(jìn)程調(diào)度的算法先到先服務(wù)(FCFS)最簡單的調(diào)度算法，按照進(jìn)程到達(dá)順序執(zhí)行。簡單易實(shí)現(xiàn)，但容易造成短進(jìn)程等待時(shí)間過長。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)程執(zhí)行?？梢詼p少平均等待時(shí)間，但需要提前知道運(yùn)行時(shí)間。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)每個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。適合對時(shí)間敏感的應(yīng)用，但需要合理分配優(yōu)先級。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)每個(gè)進(jìn)程獲得一個(gè)固定時(shí)間片執(zhí)行，時(shí)間片結(jié)束后切換到下一個(gè)進(jìn)程，可以提高系統(tǒng)吞吐量，但可能導(dǎo)致上下文切換開銷過大。進(jìn)程同步的基本概念11.協(xié)調(diào)資源共享多個(gè)進(jìn)程訪問同一資源時(shí)，需要協(xié)調(diào)訪問順序。22.保護(hù)數(shù)據(jù)完整性避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)修改共享數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。33.保證數(shù)據(jù)一致性同步操作確保每個(gè)進(jìn)程對數(shù)據(jù)的修改都能反映到其他進(jìn)程。44.提高系統(tǒng)效率合理分配資源，提高系統(tǒng)整體效率。臨界區(qū)和互斥臨界區(qū)是指一段代碼，在多個(gè)進(jìn)程或線程訪問共享資源時(shí)需要互斥訪問，防止數(shù)據(jù)不一致。互斥是指在同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程或線程可以訪問臨界區(qū)，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性?；コ獾膶?shí)現(xiàn)通常使用信號量、管程或鎖機(jī)制，確保臨界區(qū)的獨(dú)占訪問，避免數(shù)據(jù)沖突。信號量機(jī)制信號量概念信號量是一個(gè)整數(shù)值，用于控制對共享資源的訪問。信號量的操作信號量支持兩種操作：wait（等待）和signal（發(fā)出信號）。信號量機(jī)制信號量機(jī)制提供了一種簡單而有效的同步方法，它允許線程在共享資源上進(jìn)行安全的合作。管程機(jī)制管程定義管程是一種高級同步機(jī)制，用以管理共享資源。它提供了一組操作共享資源的程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并控制對這些資源的訪問。管程特點(diǎn)管程通過定義互斥訪問和條件變量來確保多線程訪問共享資源的安全性。它可以簡化并發(fā)編程，降低程序員的負(fù)擔(dān)。死鎖的基本概念定義死鎖是指多個(gè)進(jìn)程因競爭資源而互相等待，最終導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)。特征死鎖通常發(fā)生在多個(gè)進(jìn)程爭奪有限的資源時(shí)，每個(gè)進(jìn)程都持有部分資源，并等待其他進(jìn)程釋放資源。影響死鎖會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，資源浪費(fèi)，甚至系統(tǒng)崩潰，需要采取措施預(yù)防或解決死鎖問題。死鎖的必要條件互斥條件資源只能被一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占使用，其他進(jìn)程無法訪問。持有并等待條件一個(gè)進(jìn)程在請求新資源時(shí)，必須保持對已分配資源的占有。不可剝奪條件資源一旦分配給一個(gè)進(jìn)程，在進(jìn)程完成之前不能強(qiáng)制性地剝奪。循環(huán)等待條件多個(gè)進(jìn)程構(gòu)成循環(huán)等待，每個(gè)進(jìn)程等待另一個(gè)進(jìn)程持有的資源。死鎖的預(yù)防和避免1預(yù)防死鎖通過限制資源獲取，防止死鎖的發(fā)生。比如一次性分配所有資源或遵循資源獲取順序。2避免死鎖通過動態(tài)檢測系統(tǒng)狀態(tài)，避免死鎖。比如銀行家算法，在資源分配前進(jìn)行模擬，確保不會產(chǎn)生死鎖。3其他方法除了預(yù)防和避免，還可以通過檢測和恢復(fù)來處理死鎖。但這些方法通常效率較低，且可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。存儲管理的基本原理內(nèi)存管理的挑戰(zhàn)內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的資源，操作系統(tǒng)需要有效管理內(nèi)存以提高系統(tǒng)性能。內(nèi)存管理的目標(biāo)是高效地分配和回收內(nèi)存，并防止不同程序之間的內(nèi)存沖突。內(nèi)存管理的基本策略操作系統(tǒng)采用多種策略來管理內(nèi)存，例如分區(qū)分配、分頁、分段、虛擬內(nèi)存等。這些策略旨在提高內(nèi)存利用率，提供更靈活的內(nèi)存分配方式。內(nèi)存管理的目標(biāo)內(nèi)存管理的目標(biāo)是優(yōu)化內(nèi)存利用率，提高系統(tǒng)性能，確保程序之間的安全運(yùn)行。操作系統(tǒng)通過內(nèi)存管理機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。內(nèi)存分配的方式連續(xù)內(nèi)存分配每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間，方便管理。但是，這種方式存在內(nèi)存碎片問題，浪費(fèi)內(nèi)存空間。分頁式內(nèi)存分配將進(jìn)程的地址空間劃分為大小相等的頁面，物理內(nèi)存劃分為同樣大小的頁框。頁面可以不連續(xù)地加載到頁框中，提高了內(nèi)存利用率。段式內(nèi)存分配將進(jìn)程的地址空間劃分為邏輯單元，稱為段。每個(gè)段可以有不同的長度，提高了程序的模塊化和保護(hù)性。頁式段式內(nèi)存分配將頁面和段式兩種方式結(jié)合起來，既能提高內(nèi)存利用率，又能保持程序的模塊化和保護(hù)性。虛擬內(nèi)存的基本概念物理內(nèi)存物理內(nèi)存是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際存在的內(nèi)存空間，通常由RAM構(gòu)成。物理內(nèi)存的大小有限，并且需要處理多個(gè)進(jìn)程，所以可能不足以滿足所有進(jìn)程的需求。虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)提供的一種機(jī)制，通過將部分?jǐn)?shù)據(jù)和代碼放到磁盤上，來擴(kuò)大可用內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存允許程序運(yùn)行時(shí)占用更大的空間，即使實(shí)際物理內(nèi)存有限。頁式虛擬內(nèi)存管理11.頁面大小頁面大小是內(nèi)存分配的最小單位，通常為4KB或8KB。22.頁面表頁面表是一個(gè)表格，用于記錄每個(gè)頁面的物理地址。33.頁面置換算法頁面置換算法用于決定將哪個(gè)頁面從內(nèi)存中移出。44.多級頁表多級頁表可以用來減少內(nèi)存占用，同時(shí)提高頁表訪問效率。段式虛擬內(nèi)存管理將程序的地址空間劃分為多個(gè)邏輯段。每個(gè)段可以有不同的長度。為每個(gè)段創(chuàng)建一個(gè)段表，用于存儲段的起始地址和長度信息。物理內(nèi)存被劃分為多個(gè)物理段。段表中的段可以被加載到物理內(nèi)存中的不同物理段。頁面置換算法FIFO先進(jìn)先出算法簡單易懂，但可能導(dǎo)致效率低下，因?yàn)樽罱褂玫捻撁嬉部赡鼙惶鎿Q。LRU最近最少使用算法根據(jù)頁面訪問時(shí)間進(jìn)行替換，更有效地利用內(nèi)存，但需要額外的空間記錄訪問時(shí)間。OPT最佳置換算法可以找到最優(yōu)的頁面替換策略，但無法在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾枰A(yù)測未來。文件系統(tǒng)的基本概念文件組織和管理文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲的文件，提供文件存儲、訪問和管理功能。文件訪問文件系統(tǒng)提供用戶訪問文件的方式，例如創(chuàng)建、刪除、修改、復(fù)制、移動文件等。安全控制文件系統(tǒng)管理文件訪問權(quán)限，確保文件安全，防止非法訪問和修改。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法文件系統(tǒng)利用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來管理文件，實(shí)現(xiàn)高效的存儲和訪問。文件的屬性和操作文件屬性每個(gè)文件都有一組屬性，描述文件本身的信息，例如文件名、文件大小、創(chuàng)建日期、修改日期、訪問權(quán)限等。這些屬性有助于管理和識別文件。文件操作操作系統(tǒng)提供了多種文件操作功能，例如創(chuàng)建文件、刪除文件、打開文件、關(guān)閉文件、讀寫文件、移動文件、復(fù)制文件、重命名文件等。這些操作方便用戶管理和使用文件。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，它負(fù)責(zé)管理文件系統(tǒng)中的所有文件，并提供訪問文件的方式。它將文件系統(tǒng)中的所有文件組織成樹形結(jié)構(gòu)，并提供文件目錄的概念，方便用戶查找和管理文件。目錄結(jié)構(gòu)和管理1樹形結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)組織文件，方便管理和查找文件。2目錄項(xiàng)每個(gè)目錄項(xiàng)包含文件名、文件類型、文件大小等信息，方便用戶快速查找。3路徑名路徑名指明文件在目錄結(jié)構(gòu)中的位置，便于訪問和操作文件。4目錄操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、重命名目錄等操作，方便用戶管理文件系統(tǒng)。文件存儲管理磁盤塊分配將文件存儲到磁盤上，需要將文件劃分為若干個(gè)磁盤塊，并分配給文件。目錄管理通過目錄結(jié)構(gòu)組織文件，方便用戶查找和管理文件。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如文件控制塊(FCB)和目錄項(xiàng)，來管理文件信息。I/O系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)硬件層包括各種I/O設(shè)備，如硬盤、鍵盤、鼠標(biāo)等。這些設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出，并與操作系統(tǒng)交互。軟件層包括設(shè)備驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)管理和控制硬件設(shè)備。驅(qū)動程序提供操作系統(tǒng)與設(shè)備之間溝通的橋梁。I/O設(shè)備的管理設(shè)備識別操作系統(tǒng)需要識別連接的I/O設(shè)備，以便分配資源和進(jìn)行管理。設(shè)備驅(qū)動程序每個(gè)I/O設(shè)備都需要特定的驅(qū)動程序來控制其工作方式。設(shè)備分配操作系統(tǒng)需要管理設(shè)備的分