《操作系統(tǒng)引論》課件

操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心組件，負責(zé)管理和控制硬件資源，并為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。課程簡介課程目標(biāo)本課程旨在深入探討操作系統(tǒng)的基本概念、核心機制和關(guān)鍵技術(shù)。課程內(nèi)容涵蓋進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等核心內(nèi)容，以及操作系統(tǒng)安全和保護機制。學(xué)習(xí)方式通過課堂講授、課后練習(xí)、項目實踐等多種形式，幫助學(xué)生掌握操作系統(tǒng)原理和應(yīng)用。計算機體系結(jié)構(gòu)硬件組成計算機體系結(jié)構(gòu)包含CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備等硬件組件，它們共同協(xié)作執(zhí)行任務(wù)。指令集指令集定義了處理器可執(zhí)行的指令類型，決定了程序執(zhí)行的效率和功能。數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路描述了數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)各個組件之間傳輸?shù)穆窂胶头绞?。軟件架?gòu)軟件架構(gòu)定義了操作系統(tǒng)如何組織和管理硬件資源，為應(yīng)用程序提供服務(wù)。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是管理計算機硬件和軟件資源的軟件系統(tǒng)。它為用戶提供一個統(tǒng)一的接口，方便用戶使用計算機資源。功能操作系統(tǒng)的主要功能包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理和設(shè)備管理。它負責(zé)調(diào)度進程，分配內(nèi)存，管理文件和設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。操作系統(tǒng)發(fā)展歷程1第一代（1945-1955）以機器語言編程，批處理系統(tǒng)。2第二代（1955-1965）匯編語言，多道程序設(shè)計系統(tǒng)。3第三代（1965-1980）高級語言，分時系統(tǒng)，操作系統(tǒng)開始發(fā)展成熟。4第四代（1980-現(xiàn)在）圖形用戶界面，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，移動操作系統(tǒng)，云計算。操作系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從單一功能到多功能，從批處理到交互式，從集中式到分布式，從單用戶到多用戶，從簡單的系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng)的演變。操作系統(tǒng)的分類1批處理操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)一次處理多個作業(yè)，無需用戶直接干預(yù)。2分時操作系統(tǒng)分時系統(tǒng)允許多個用戶共享計算機資源，并提供交互式環(huán)境。3實時操作系統(tǒng)實時系統(tǒng)要求在特定時間范圍內(nèi)對事件做出及時響應(yīng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)。4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)資源，支持文件共享、遠程訪問和通信。進程的概念獨立運行的實體進程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位，擁有獨立的內(nèi)存空間、文件資源等。動態(tài)執(zhí)行過程進程是程序在內(nèi)存中的執(zhí)行過程，包含程序代碼、數(shù)據(jù)以及程序執(zhí)行時的環(huán)境信息。多任務(wù)處理操作系統(tǒng)可以同時運行多個進程，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。并發(fā)執(zhí)行多個進程可以共享CPU時間片，實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，為用戶提供交互式體驗。進程狀態(tài)圖進程狀態(tài)圖描述進程在生命周期中所處的不同狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。常見的進程狀態(tài)包括：運行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)。運行態(tài)：進程正在CPU上執(zhí)行。就緒態(tài)：進程已準(zhǔn)備好運行，但正在等待CPU資源。阻塞態(tài)：進程因等待某個事件（例如I/O操作完成）而無法運行，處于阻塞狀態(tài)。進程控制塊進程信息包含進程標(biāo)識符、進程狀態(tài)、優(yōu)先級等信息。程序代碼存儲進程執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)。內(nèi)存資源記錄進程在內(nèi)存中的地址空間和分配情況。CPU資源記錄進程使用的CPU時間、IO時間等資源信息。進程調(diào)度算法調(diào)度目標(biāo)提高CPU利用率，縮短平均周轉(zhuǎn)時間，降低系統(tǒng)開銷，提高響應(yīng)時間，保證公平性。調(diào)度算法類型先來先服務(wù)（FCFS），最短作業(yè)優(yōu)先（SJF），優(yōu)先級調(diào)度，時間片輪轉(zhuǎn)，多級反饋隊列調(diào)度。算法選擇根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇合適的算法，例如，實時系統(tǒng)更注重響應(yīng)時間，批處理系統(tǒng)更注重吞吐量。進程同步問題資源共享多個進程可能需要訪問共享資源，例如打印機或文件?；コ庠L問一次只有一個進程可以訪問共享資源，以防止數(shù)據(jù)不一致。進程通信進程需要相互通信才能協(xié)調(diào)活動，例如交換數(shù)據(jù)或同步操作。死鎖多個進程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行。臨界區(qū)和互斥臨界區(qū)臨界區(qū)是指一段代碼，它訪問共享資源。在多線程環(huán)境中，如果多個線程同時訪問共享資源，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。臨界區(qū)就是為了防止這種數(shù)據(jù)不一致而設(shè)置的。互斥互斥是指在同一時刻只有一個線程可以訪問臨界區(qū)?；コ饪梢员ＷC每個線程在訪問共享資源時，都能獲得一致的數(shù)據(jù)。同步機制1信號量信號量是一種常用的同步機制，用于控制對共享資源的訪問。2管程管程提供了一種更高級的同步機制，它將共享資源和對資源的訪問操作封裝在一起。3互斥鎖互斥鎖是一種簡單的同步機制，用于確保一次只有一個進程或線程可以訪問共享資源。4條件變量條件變量用于通知等待進程或線程共享資源的狀態(tài)變化。死鎖概念死鎖定義死鎖是指兩個或多個進程因競爭資源而陷入僵局，互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖特點相互等待資源不可剝奪環(huán)路等待死鎖危害死鎖會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。進程無法正常運行，資源利用率降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。死鎖的必要條件1互斥條件每個資源只能被一個進程占用。2占有并請求條件進程已經(jīng)占有至少一個資源，正在請求另一個資源。3不可搶占條件進程不能從其他進程中搶占資源。4循環(huán)等待條件存在一個循環(huán)等待的進程鏈，每個進程都在等待鏈中下一個進程占有的資源。死鎖的預(yù)防和避免1預(yù)防通過修改系統(tǒng)資源分配策略，防止死鎖發(fā)生。例如，一次性分配所有資源，禁止資源請求的循環(huán)依賴關(guān)系。2避免在系統(tǒng)運行過程中，通過動態(tài)分析系統(tǒng)狀態(tài)，避免死鎖的發(fā)生。例如，銀行家算法，保證系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。3比較預(yù)防方法過于嚴(yán)格，可能導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率降低。避免方法更靈活，但需要更復(fù)雜的算法。死鎖的檢測和解決死鎖檢測死鎖檢測是指在系統(tǒng)運行過程中，通過特定的算法來判斷系統(tǒng)中是否存在死鎖。檢測算法會分析系統(tǒng)資源分配情況，判斷是否有進程處于等待狀態(tài)，并檢查是否存在循環(huán)等待關(guān)系。死鎖解決如果檢測到死鎖，需要采取措施來解除死鎖。常見的解決方法包括：撤銷進程、搶占資源、回滾操作等。選擇合適的解決方法要綜合考慮系統(tǒng)性能、資源利用率和用戶需求。存儲管理概述內(nèi)存管理管理內(nèi)存資源分配和回收。磁盤管理管理磁盤空間分配和回收。虛擬內(nèi)存使用硬盤空間擴展內(nèi)存容量。文件管理管理文件存儲、訪問和組織。內(nèi)存分配策略連續(xù)分配連續(xù)分配是將內(nèi)存空間劃分為若干個大小不同的區(qū)域，每個區(qū)域只能被一個進程占用。這種方式簡單易懂，但會導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題，浪費內(nèi)存空間。分頁式分配分頁式分配將內(nèi)存和進程都劃分為大小相同的頁面，可以將進程分散存儲在不同的頁面中。這種方式可以有效解決內(nèi)存碎片問題，但需要增加頁表來管理頁面映射關(guān)系，增加了系統(tǒng)開銷。段式分配段式分配將進程劃分為邏輯上的段，每個段代表程序的一個功能模塊，可以方便模塊化的程序設(shè)計。這種方式靈活，但需要建立段表來管理段映射關(guān)系，增加了系統(tǒng)開銷。頁式-段式分配頁式-段式分配結(jié)合了分頁和段式分配的優(yōu)點，將進程劃分成段，并將每個段再劃分成頁。這種方式可以實現(xiàn)更加靈活的內(nèi)存管理，但需要建立頁表和段表來管理映射關(guān)系，增加了系統(tǒng)開銷。虛擬內(nèi)存概念擴大地址空間虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，提高程序運行效率。硬盤作為擴展內(nèi)存虛擬內(nèi)存利用硬盤作為輔助存儲器，將一部分程序和數(shù)據(jù)存儲在硬盤上，需要時再加載到內(nèi)存中。頁面機制虛擬內(nèi)存采用頁面機制，將程序和數(shù)據(jù)劃分為固定大小的頁面，根據(jù)需要加載到內(nèi)存中。頁面置換算法FIFO先到先服務(wù)算法，最早進入內(nèi)存的頁面最先被替換，簡單易實現(xiàn)。LRU最近最少使用算法，最長時間未被訪問的頁面被替換，效率更高。OPT最佳置換算法，未來最長時間不會被訪問的頁面被替換，理論最佳但難以實現(xiàn)。CLOCK時鐘算法，模擬時鐘指針，指向頁面，標(biāo)記引用位，被引用置1，未被引用置0，指針指向的頁面被替換。文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。它管理著存儲設(shè)備上的文件和目錄，并提供對文件的訪問和管理機制。文件系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供了一個抽象的接口，隱藏了底層存儲設(shè)備的細節(jié)，使應(yīng)用程序可以方便地創(chuàng)建、訪問、修改和刪除文件。主要功能文件系統(tǒng)主要負責(zé)以下功能:文件存儲和管理文件訪問控制文件共享和同步文件備份和恢復(fù)存儲空間分配和管理文件的基本屬性文件名用于區(qū)分不同的文件，通常由字母、數(shù)字和特殊字符組成。文件大小以字節(jié)為單位，表示文件所占用的存儲空間大小。創(chuàng)建時間記錄文件創(chuàng)建的時間，用于追蹤文件的歷史。文件類型指示文件的類型，例如文本文件、圖像文件、可執(zhí)行文件等。文件訪問方式1順序訪問從文件開頭開始順序讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，無法直接訪問特定位置。2直接訪問允許用戶直接訪問文件任意位置，無需從開頭逐個讀取。3索引訪問通過索引號或鍵值來訪問文件中的特定記錄，實現(xiàn)快速查找。4混合訪問將以上訪問方式組合使用，根據(jù)不同需求進行選擇。文件目錄結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)最常見的目錄結(jié)構(gòu)形式，將所有文件和目錄組織成樹狀結(jié)構(gòu)，由根目錄開始，每個目錄可以包含子目錄和文件。單級結(jié)構(gòu)簡單易懂，所有文件都放在同一個目錄下，沒有層次結(jié)構(gòu)，適用于小型系統(tǒng)。多級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，允許創(chuàng)建多個層次的目錄，便于組織和管理大量文件。設(shè)備管理概述硬件管理負責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備，例如磁盤驅(qū)動器、打印機、網(wǎng)絡(luò)接口等。操作系統(tǒng)會將這些設(shè)備抽象成邏輯設(shè)備，方便應(yīng)用程序訪問。資源分配分配硬件設(shè)備給不同的進程使用。操作系統(tǒng)會根據(jù)不同的策略，例如先來先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先等，來決定哪些進程可以使用哪些設(shè)備。安全保護保護硬件設(shè)備免受非法訪問和破壞。操作系統(tǒng)會提供各種安全機制，例如訪問控制、權(quán)限管理等，來確保設(shè)備的正常使用。I/O子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11.用戶接口用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用與I/O子系統(tǒng)進行交互。22.設(shè)備驅(qū)動程序特定設(shè)備驅(qū)動程序負責(zé)與特定類型設(shè)備通信。33.I/O控制模塊它管理設(shè)備驅(qū)動程序、緩沖區(qū)、中斷處理等。44.設(shè)備包括磁盤、鍵盤、打印機等物理設(shè)備。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)算法按請求到達的順序服務(wù)，簡單易實現(xiàn)，但可能導(dǎo)致磁盤臂頻繁移動，性能低。最短尋道時間優(yōu)先算法每次選擇距離當(dāng)前磁頭最近的請求進行服務(wù)，能有效減少磁盤臂移動時間，但可能造成饑餓現(xiàn)象。掃描算法磁頭從一個方向掃描到另一方向，服務(wù)所有請求，可以避免饑餓現(xiàn)象，但可能造成局部性弱。循環(huán)掃描算法磁頭從一個方向掃描到另一方向，服務(wù)所有請求，但到達另一端后，立刻返回掃描，減少了空閑時間。安全性和保護機制用戶身份驗證用戶身份驗證確保系統(tǒng)資源只被授權(quán)用戶訪問。常見方法包括密碼驗證、生物識別驗證等。多因素身份驗證可以增加安全性，要求用戶提供多種形