【大學(xué)課件】計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的定義和功能管理計(jì)算機(jī)硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和外設(shè)。提供用戶界面，方便用戶與計(jì)算機(jī)交互，例如命令行界面或圖形用戶界面。管理和協(xié)調(diào)應(yīng)用程序，確保它們能夠正常運(yùn)行，并提供共享資源的訪問。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1批處理系統(tǒng)早期操作系統(tǒng)，主要用于處理大量任務(wù)，例如打卡和計(jì)算工資。2分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，并通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式共享資源。3實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，常用于工業(yè)控制和航空航天等領(lǐng)域。4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信和資源共享，如WindowsServer。操作系統(tǒng)的分類1批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)是一種早期的操作系統(tǒng)，它將多個(gè)作業(yè)按順序執(zhí)行，無需用戶交互。它提高了計(jì)算機(jī)資源利用率，但無法滿足用戶實(shí)時(shí)交互的需求。2分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)將CPU時(shí)間片分配給每個(gè)用戶，從而實(shí)現(xiàn)交互式操作。3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，例如航空控制和工業(yè)自動(dòng)化。它需要及時(shí)響應(yīng)外部事件，保證任務(wù)在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)完成。4單用戶操作系統(tǒng)單用戶操作系統(tǒng)僅允許一個(gè)用戶在同一時(shí)間使用計(jì)算機(jī)，例如大多數(shù)個(gè)人電腦操作系統(tǒng)。5多用戶操作系統(tǒng)多用戶操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，例如服務(wù)器操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分成多個(gè)層次，每個(gè)層次都提供特定功能。低層提供基礎(chǔ)服務(wù)，高層則構(gòu)建在低層之上，逐步抽象和擴(kuò)展功能。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將核心功能（如內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、中斷處理）放在微內(nèi)核中，其他服務(wù)通過用戶空間進(jìn)程提供，便于擴(kuò)展和移植。進(jìn)程管理進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)中最核心的部分之一，它負(fù)責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度和管理進(jìn)程，并協(xié)調(diào)它們對(duì)系統(tǒng)資源的訪問。進(jìn)程創(chuàng)建操作系統(tǒng)為每個(gè)程序創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，為其分配內(nèi)存、文件和設(shè)備等資源。進(jìn)程調(diào)度操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度進(jìn)程，決定哪個(gè)進(jìn)程可以使用CPU，以及它們可以使用CPU的時(shí)間。進(jìn)程通信操作系統(tǒng)提供進(jìn)程之間的通信機(jī)制，以便它們可以共享數(shù)據(jù)和資源。進(jìn)程的概念和狀態(tài)程序程序是一個(gè)靜態(tài)的指令序列，保存于磁盤中。進(jìn)程進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，它是程序在內(nèi)存中運(yùn)行時(shí)的實(shí)例，具有自己的地址空間和資源。狀態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行過程中會(huì)處于不同的狀態(tài)，例如運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)等。進(jìn)程調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度，簡(jiǎn)單易懂，但可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的平均等待時(shí)間。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇下一個(gè)要執(zhí)行的進(jìn)程為估計(jì)執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程，能有效地降低平均等待時(shí)間。優(yōu)先級(jí)調(diào)度為每個(gè)進(jìn)程賦予一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先被調(diào)度，可根據(jù)需要調(diào)整優(yōu)先級(jí)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)將CPU時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程依次獲得一個(gè)時(shí)間片，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的公平競(jìng)爭(zhēng)。進(jìn)程同步與互斥進(jìn)程同步是指多個(gè)進(jìn)程在時(shí)間上協(xié)調(diào)運(yùn)行,共同完成任務(wù).進(jìn)程互斥是指多個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)訪問共享資源,以防止數(shù)據(jù)不一致.常見的同步機(jī)制包括信號(hào)量、互斥量、條件變量等.死鎖的概念與預(yù)防死鎖定義多個(gè)進(jìn)程因互相等待對(duì)方釋放資源而陷入永久阻塞狀態(tài)，無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖條件互斥條件、占有且等待條件、不可剝奪條件、循環(huán)等待條件。死鎖預(yù)防破壞死鎖的四個(gè)必要條件，例如資源預(yù)先分配、禁止占有并等待等策略。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存資源，以保證程序的正確執(zhí)行和效率。內(nèi)存分配為運(yùn)行的程序分配內(nèi)存空間，并管理內(nèi)存使用情況。內(nèi)存保護(hù)防止程序訪問非法的內(nèi)存區(qū)域，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。內(nèi)存共享允許多個(gè)進(jìn)程共享內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存使用硬盤空間模擬更多的內(nèi)存，擴(kuò)展系統(tǒng)可用內(nèi)存。內(nèi)存分配策略連續(xù)分配為每個(gè)進(jìn)程分配一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，方便管理，但存在內(nèi)存碎片問題。分頁分配將內(nèi)存空間分成大小相同的頁面，進(jìn)程可以分配到非連續(xù)的頁面，可以有效解決內(nèi)存碎片問題。分段分配將進(jìn)程的地址空間劃分為若干邏輯段，每個(gè)段可以分配到非連續(xù)的物理內(nèi)存，便于程序模塊化管理。虛擬內(nèi)存技術(shù)1擴(kuò)展內(nèi)存虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，即使物理內(nèi)存有限。2頁面調(diào)度將程序的頁面在物理內(nèi)存和磁盤之間移動(dòng)，以優(yōu)化內(nèi)存使用效率。3多任務(wù)支持允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，即使每個(gè)程序都需要比物理內(nèi)存更大的空間。頁面置換算法先進(jìn)先出(FIFO)最簡(jiǎn)單的頁面置換算法，先進(jìn)入內(nèi)存的頁面先被替換。最近最少使用(LRU)最常用的頁面置換算法，最近最少使用的頁面優(yōu)先被替換。最佳置換(OPT)理論上最優(yōu)的頁面置換算法，但無法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。設(shè)備管理設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。分配策略根據(jù)設(shè)備類型和系統(tǒng)需求，合理分配設(shè)備資源。驅(qū)動(dòng)程序提供設(shè)備與操作系統(tǒng)之間的接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的訪問和控制。錯(cuò)誤處理檢測(cè)并處理設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障。設(shè)備的分類和特性輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、麥克風(fēng)等，用于將信息輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音箱、投影儀等，用于將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果輸出給用戶。存儲(chǔ)設(shè)備硬盤、光盤、U盤、內(nèi)存等，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)卡、路由器、交換機(jī)等，用于連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，將硬件指令轉(zhuǎn)換為操作系統(tǒng)可理解的指令。資源管理驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)管理設(shè)備資源，例如分配和釋放設(shè)備，以及處理設(shè)備中斷和錯(cuò)誤。性能優(yōu)化驅(qū)動(dòng)程序可以通過優(yōu)化設(shè)備訪問和數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的整體性能和效率。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理和組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的文件，并為用戶提供文件訪問和操作的接口。文件存儲(chǔ)和組織操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將文件存儲(chǔ)到磁盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備上，并使用目錄結(jié)構(gòu)來組織和管理這些文件。文件訪問和操作用戶可以通過操作系統(tǒng)提供的接口來創(chuàng)建、刪除、修改、復(fù)制、移動(dòng)和訪問文件。文件的概念和組織數(shù)據(jù)集合文件是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)集合，包含文本、圖像、音頻、視頻等多種類型。組織方式文件通常按照文件夾進(jìn)行組織，形成層次結(jié)構(gòu)，方便管理和查找。文件屬性每個(gè)文件都有屬性信息，包括文件名、大小、創(chuàng)建日期、修改時(shí)間等，用于標(biāo)識(shí)和管理文件。文件系統(tǒng)文件組織管理文件存儲(chǔ)和組織方式，例如樹形結(jié)構(gòu)或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)。權(quán)限管理控制用戶對(duì)文件的訪問權(quán)限，例如讀、寫、執(zhí)行等。存儲(chǔ)管理管理磁盤空間的分配和回收，以優(yōu)化存儲(chǔ)效率。安全管理操作系統(tǒng)安全管理是保護(hù)系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)的核心。訪問控制限制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限。身份驗(yàn)證確認(rèn)用戶身份的合法性。訪問控制機(jī)制身份驗(yàn)證確保用戶身份真實(shí)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。授權(quán)控制用戶對(duì)資源的訪問權(quán)限，防止用戶越權(quán)操作。審計(jì)跟蹤記錄用戶行為，方便追溯問題，提高安全性。加密和解密技術(shù)1對(duì)稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。2非對(duì)稱加密使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密，提高安全性。3哈希函數(shù)將任意長(zhǎng)度的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的哈希值，用于數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證。操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)操作系統(tǒng)的性能，需要從多個(gè)角度進(jìn)行衡量，例如CPU利用率、吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、等待時(shí)間等。CPU利用率衡量CPU繁忙程度，反映系統(tǒng)資源利用效率。吞吐量衡量系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量，反映系統(tǒng)處理能力。響應(yīng)時(shí)間衡量系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求的響應(yīng)速度，反映系統(tǒng)對(duì)用戶的友好程度。等待時(shí)間衡量用戶請(qǐng)求在隊(duì)列中等待的時(shí)間，反映系統(tǒng)對(duì)用戶的效率。CPU利用率和吞吐量CPU利用率衡量CPU時(shí)間使用情況吞吐量單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量響應(yīng)時(shí)間和等待時(shí)間響應(yīng)時(shí)間(ms)等待時(shí)間(ms)響應(yīng)時(shí)間是指從用戶發(fā)出請(qǐng)求到系統(tǒng)完成請(qǐng)求并返回結(jié)果的時(shí)間。等待時(shí)間是指用戶請(qǐng)求到達(dá)系統(tǒng)后，系統(tǒng)開始處理請(qǐng)求之前的時(shí)間。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著硬件技術(shù)和軟件技術(shù)不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)也隨之演變，呈現(xiàn)出以下趨勢(shì):1微內(nèi)核操作系統(tǒng)將操作系統(tǒng)內(nèi)核簡(jiǎn)化，將大部分功能模塊移至用戶空間，提高系統(tǒng)安全性與可擴(kuò)展性。2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)，提供高可靠性和低延遲的系統(tǒng)服務(wù)。3分布式操作系統(tǒng)將系統(tǒng)資源分布在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，提高系統(tǒng)性能和可靠性。4云操作系統(tǒng)提供基于云計(jì)算的系統(tǒng)服務(wù)，以虛擬化和資源池化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和按需分配。微內(nèi)核操作系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)微內(nèi)核操作系統(tǒng)將核心功能（如進(jìn)程管理和內(nèi)存管理）限制在最小的內(nèi)核中，其他功能則以模塊形式實(shí)現(xiàn)。安全性內(nèi)核功能較少，減少了攻擊面，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。可擴(kuò)展性模塊化設(shè)計(jì)方便添加新的功能和服務(wù)，適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用需求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求對(duì)時(shí)間響應(yīng)有嚴(yán)格的要求，通常用于控制系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備。應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動(dòng)化、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。特點(diǎn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，快速響應(yīng)事件，低延遲。分布式操作系統(tǒng)資源共享多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間共享硬件和軟件資源，