《操作系統(tǒng)總結(jié)》課件

操作系統(tǒng)總結(jié)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源并提供用戶(hù)界面。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的軟件，它是所有其他應(yīng)用程序運(yùn)行的基礎(chǔ)。功能主要功能包括：管理計(jì)算機(jī)資源，提供用戶(hù)接口，為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，以及保障系統(tǒng)安全。作用充當(dāng)用戶(hù)和硬件之間的橋梁，簡(jiǎn)化硬件操作，提高系統(tǒng)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和安全性。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)第一代操作系統(tǒng)主要用于批處理系統(tǒng)，例如IBM的OS/360，特點(diǎn)是效率低，依賴(lài)硬件，缺乏交互性。分時(shí)操作系統(tǒng)第二代操作系統(tǒng)引入了分時(shí)技術(shù)，允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，例如Unix，提高了資源利用率。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)第三代操作系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)，如航空控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，可靠性高?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)融合了各種技術(shù)，例如Windows、Linux，提供了圖形界面，網(wǎng)絡(luò)支持，安全性和可靠性等。計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主板主板是計(jì)算機(jī)的核心部件，連接各種硬件組件，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。中央處理器(CPU)CPU是計(jì)算機(jī)的“大腦”，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。內(nèi)存(RAM)內(nèi)存是計(jì)算機(jī)的“工作臺(tái)”，用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。硬盤(pán)硬盤(pán)是計(jì)算機(jī)的“倉(cāng)庫(kù)”，用于存儲(chǔ)長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)。CPU和內(nèi)存管理CPU管理CPU管理負(fù)責(zé)分配和調(diào)度CPU資源，提高CPU利用率，避免CPU資源浪費(fèi)。內(nèi)存管理內(nèi)存管理負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存空間，為程序提供足夠的內(nèi)存資源，保證程序正常運(yùn)行。進(jìn)程管理11.進(jìn)程概念進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位。22.進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程狀態(tài)包括運(yùn)行、就緒、阻塞、創(chuàng)建、終止等，進(jìn)程在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。33.進(jìn)程控制進(jìn)程控制是指創(chuàng)建、終止、掛起、激活和喚醒進(jìn)程等操作。44.進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度算法負(fù)責(zé)選擇合適的進(jìn)程運(yùn)行，常見(jiàn)的調(diào)度算法包括先來(lái)先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等。線(xiàn)程管理線(xiàn)程概念線(xiàn)程是輕量級(jí)進(jìn)程，是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線(xiàn)程，這些線(xiàn)程共享進(jìn)程的資源，如內(nèi)存空間、文件等。線(xiàn)程特點(diǎn)線(xiàn)程之間可以互相通信，共享數(shù)據(jù)，但它們也擁有各自的?？臻g和局部變量。進(jìn)程同步和互斥信號(hào)量信號(hào)量是操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步和互斥的重要機(jī)制。它使用計(jì)數(shù)器來(lái)控制對(duì)共享資源的訪(fǎng)問(wèn)，確保資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)和有序訪(fǎng)問(wèn)?；コ饬炕コ饬渴且环N簡(jiǎn)單的同步機(jī)制，允許一個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程獨(dú)占地訪(fǎng)問(wèn)共享資源，防止其他進(jìn)程或線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。條件變量條件變量用于在進(jìn)程間傳遞信息，使一個(gè)進(jìn)程可以等待另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行特定操作后才能繼續(xù)執(zhí)行。管程管程是一種高級(jí)同步機(jī)制，它將共享資源和操作這些資源的代碼封裝在一起，為多個(gè)進(jìn)程提供安全的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)。死鎖問(wèn)題及解決方案1發(fā)生條件互斥、占有且等待、不可搶占、循環(huán)等待2檢測(cè)與恢復(fù)資源分配圖、回滾、進(jìn)程終止3預(yù)防破壞四個(gè)條件中的一個(gè)死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程在競(jìng)爭(zhēng)資源時(shí)，因相互等待對(duì)方釋放資源而陷入無(wú)限循環(huán)的僵持狀態(tài)。預(yù)防死鎖是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)打破死鎖發(fā)生的四個(gè)必要條件來(lái)避免死鎖的發(fā)生。內(nèi)存管理機(jī)制分頁(yè)式內(nèi)存管理將內(nèi)存劃分為大小相同的頁(yè)面，程序代碼和數(shù)據(jù)也分成同樣大小的頁(yè)，需要時(shí)再將頁(yè)調(diào)入內(nèi)存。分段式內(nèi)存管理將程序代碼和數(shù)據(jù)分成邏輯上相關(guān)的段，每個(gè)段可以是不同大小的，可以獨(dú)立地進(jìn)行加載和管理。虛擬內(nèi)存技術(shù)利用硬盤(pán)空間作為虛擬內(nèi)存，將程序和數(shù)據(jù)分成頁(yè)面，需要時(shí)再?gòu)挠脖P(pán)調(diào)入內(nèi)存，擴(kuò)大可用內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存技術(shù)概念虛擬內(nèi)存技術(shù)允許程序使用超出物理內(nèi)存容量的地址空間。它將物理內(nèi)存和磁盤(pán)空間結(jié)合使用，形成一個(gè)更大的虛擬地址空間。機(jī)制虛擬內(nèi)存通過(guò)分頁(yè)或分段機(jī)制，將程序的虛擬地址空間劃分為固定大小的頁(yè)面或段，并將其映射到物理內(nèi)存或磁盤(pán)上的交換空間。文件管理系統(tǒng)11.文件存儲(chǔ)管理管理文件在存儲(chǔ)介質(zhì)上的分配、存儲(chǔ)和回收。22.文件訪(fǎng)問(wèn)控制控制用戶(hù)對(duì)文件的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，確保數(shù)據(jù)安全。33.文件目錄管理提供文件組織結(jié)構(gòu)，方便用戶(hù)查找和管理文件。44.文件共享和備份支持多個(gè)用戶(hù)共享文件，并提供備份機(jī)制，保證數(shù)據(jù)完整性。設(shè)備管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的橋梁，它們提供與硬件交互的接口，實(shí)現(xiàn)硬件功能的訪(fǎng)問(wèn)和控制。I/O控制操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)各種I/O設(shè)備，包括鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、硬盤(pán)、打印機(jī)等，以確保高效和可靠的設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)。中斷處理中斷是I/O設(shè)備向CPU發(fā)送信號(hào)，通知CPU需要處理事件，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收和處理這些中斷請(qǐng)求。設(shè)備分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將不同的設(shè)備分配給不同的進(jìn)程，以確保公平使用和防止資源沖突。安全管理用戶(hù)身份驗(yàn)證使用用戶(hù)名和密碼或生物識(shí)別技術(shù)來(lái)驗(yàn)證用戶(hù)身份，確保只有授權(quán)用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)資源。訪(fǎng)問(wèn)控制限制用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)資源的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，例如文件、目錄和程序，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)。數(shù)據(jù)加密使用加密算法對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)泄露或篡改。安全審計(jì)記錄用戶(hù)操作，以便跟蹤系統(tǒng)活動(dòng)，檢測(cè)異常行為，并進(jìn)行安全事件分析。操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程1加電自檢（POST）加電后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自檢，確保硬件正常工作。2引導(dǎo)加載程序（Bootloader）POST完成后，系統(tǒng)會(huì)加載引導(dǎo)加載程序，負(fù)責(zé)引導(dǎo)操作系統(tǒng)內(nèi)核。3內(nèi)核加載和初始化引導(dǎo)加載程序會(huì)將操作系統(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存，并進(jìn)行初始化，包括配置內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。4系統(tǒng)初始化內(nèi)核完成初始化后，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)其他系統(tǒng)服務(wù)，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。5登錄界面最后，系統(tǒng)會(huì)顯示登錄界面，用戶(hù)可以登錄操作系統(tǒng)開(kāi)始使用。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，管理系統(tǒng)資源，提供基本服務(wù)。2系統(tǒng)調(diào)用接口應(yīng)用程序與內(nèi)核交互的橋梁，提供系統(tǒng)功能調(diào)用。3系統(tǒng)程序擴(kuò)展內(nèi)核功能，提供用戶(hù)友好接口，方便用戶(hù)使用。4用戶(hù)程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，利用系統(tǒng)資源完成特定任務(wù)。Unix操作系統(tǒng)Unix操作系統(tǒng)是一個(gè)多用戶(hù)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，誕生于20世紀(jì)70年代初的貝爾實(shí)驗(yàn)室。它以其穩(wěn)定性、可靠性和可移植性而聞名。Unix是一個(gè)龐大的操作系統(tǒng)家族，衍生出許多不同的版本，如Linux、Solaris、macOS等。這些系統(tǒng)在服務(wù)器、工作站、嵌入式系統(tǒng)等各種平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用。Unix操作系統(tǒng)的核心概念包括文件系統(tǒng)、管道、進(jìn)程和shell。它提供了一組強(qiáng)大的命令行工具，以及一個(gè)靈活的編程環(huán)境，使其成為許多程序員和系統(tǒng)管理員的首選操作系統(tǒng)。Windows操作系統(tǒng)Windows是微軟公司開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)，在臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中廣泛使用。Windows提供圖形用戶(hù)界面，易于使用，功能豐富。近年來(lái)，Windows操作系統(tǒng)不斷改進(jìn)，在性能和安全性方面取得了顯著進(jìn)步。Linux操作系統(tǒng)Linux是一個(gè)自由和開(kāi)源的操作系統(tǒng)，它以其穩(wěn)定性、可靠性和安全性而聞名。Linux廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備和個(gè)人電腦等領(lǐng)域。Linux支持多種硬件架構(gòu)，擁有龐大的用戶(hù)社區(qū)和豐富的軟件資源。它提供多種發(fā)行版，例如Ubuntu、Fedora和Debian，滿(mǎn)足不同的需求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求對(duì)事件的響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格的限制，通常需要在特定時(shí)間內(nèi)完成操作。應(yīng)用場(chǎng)景工業(yè)控制、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。特點(diǎn)高可靠性、高性能、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、資源管理高效。嵌入式操作系統(tǒng)硬件資源受限嵌入式系統(tǒng)通常擁有有限的內(nèi)存、處理器和存儲(chǔ)空間，因此操作系統(tǒng)必須高效地管理這些資源。應(yīng)用場(chǎng)景多樣嵌入式操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域，需要針對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行定制和優(yōu)化。實(shí)時(shí)性要求高許多嵌入式系統(tǒng)需要及時(shí)響應(yīng)外部事件，因此操作系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)性和可靠性。安全性和可靠性嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中，需要保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，防止故障和攻擊。云計(jì)算操作系統(tǒng)特點(diǎn)云計(jì)算操作系統(tǒng)通常是虛擬化的，提供資源池化，支持高可用性和可擴(kuò)展性。云計(jì)算操作系統(tǒng)提供了各種服務(wù)，如虛擬機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和安全服務(wù)。優(yōu)勢(shì)云計(jì)算操作系統(tǒng)簡(jiǎn)化了管理和維護(hù)，減少了硬件和軟件成本。提供靈活性和可擴(kuò)展性，以滿(mǎn)足不斷變化的需求。移動(dòng)端操作系統(tǒng)iOS由蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)，主打流暢性、安全性和用戶(hù)體驗(yàn)。Android由Google開(kāi)發(fā)，開(kāi)源性高，擁有龐大的應(yīng)用生態(tài)，覆蓋多種機(jī)型。WindowsPhone由微軟開(kāi)發(fā)，注重與PC端的融合，但市場(chǎng)占有率較低。HarmonyOS由華為開(kāi)發(fā)，擁有強(qiáng)大的跨設(shè)備協(xié)同能力，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額不斷增長(zhǎng)。未來(lái)操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)將變得更加智能，能夠?qū)W習(xí)用戶(hù)的行為，預(yù)測(cè)需求并自動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)的習(xí)慣自動(dòng)調(diào)整資源分配，優(yōu)化應(yīng)用程序啟動(dòng)速度和響應(yīng)時(shí)間。邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)將支持邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，能夠高效地管理資源，并與其他設(shè)備進(jìn)行協(xié)作。邊緣計(jì)算將為用戶(hù)提供更快的響應(yīng)速度和更低的延遲，而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將依賴(lài)于操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是衡量操作系統(tǒng)效率和可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。常見(jiàn)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括CPU利用率、內(nèi)存使用率、磁盤(pán)I/O速度、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、并發(fā)用戶(hù)數(shù)等等。操作系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)內(nèi)存優(yōu)化減少內(nèi)存碎片，提高內(nèi)存利用率，例如使用內(nèi)存壓縮技術(shù)或動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配算法。CPU優(yōu)化減少進(jìn)程切換次數(shù)，優(yōu)化調(diào)度算法，例如使用多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法或優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。IO優(yōu)化提高磁盤(pán)讀寫(xiě)速度，優(yōu)化磁盤(pán)調(diào)度算法，例如使用電梯算法或最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法。系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)化系統(tǒng)配置，例如調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、使用緩存技術(shù)、清理系統(tǒng)垃圾文件等。操作系統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)1錯(cuò)誤日志操作系統(tǒng)會(huì)記錄系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤信息。通過(guò)分析錯(cuò)誤日志，可以快速定位故障原因。2系統(tǒng)監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，例如CPU占用率過(guò)高、內(nèi)存使用率過(guò)低等。3系統(tǒng)修復(fù)對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行修復(fù)，例如更新驅(qū)動(dòng)程序、修復(fù)系統(tǒng)文件等。4安全策略制定安全策略，防止系統(tǒng)遭受惡意攻擊，例如設(shè)置用戶(hù)權(quán)限、安裝安全軟件等。操作系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)踐動(dòng)手實(shí)踐是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的最佳方式，通過(guò)課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。系統(tǒng)調(diào)用深入了解操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用，例如文件操作、進(jìn)程管理、內(nèi)存分配等，并實(shí)現(xiàn)自定義的系統(tǒng)調(diào)用。團(tuán)隊(duì)合作課程設(shè)計(jì)通常需要團(tuán)隊(duì)合作，培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力、協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。操作系統(tǒng)的就業(yè)前景就業(yè)市場(chǎng)需求操作系統(tǒng)是信息技術(shù)行業(yè)的基礎(chǔ)。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)操作系統(tǒng)人才的需求不斷增長(zhǎng)。薪資待遇操作系統(tǒng)工程師的薪資水平較高，且具備良好的職業(yè)發(fā)展路徑。工作環(huán)境工作環(huán)境通常比較穩(wěn)定，工作內(nèi)容相對(duì)靈活，可參與各種項(xiàng)目和研究。操作系統(tǒng)相關(guān)的開(kāi)源社區(qū)和資源1Linux內(nèi)核社區(qū)Linux內(nèi)核的開(kāi)發(fā)完全開(kāi)源，社區(qū)非?；钴S，許多開(kāi)發(fā)者貢獻(xiàn)代碼，修正Bug。2開(kāi)源操作系統(tǒng)很多操作系統(tǒng)