《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》課件

《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》課程概述本課程將深入探討計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的核心概念和原理。課程內(nèi)容涵蓋操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等方面。作者：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成主板主板是計(jì)算機(jī)的核心部件，連接所有其他組件，如CPU、內(nèi)存和硬盤。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)存內(nèi)存是用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)器。硬盤硬盤是用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器。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)中的核心軟件，它負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)硬件資源，以及為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的接口。功能操作系統(tǒng)主要功能包括：管理計(jì)算機(jī)硬件資源，如CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)等；提供用戶接口，如命令行界面或圖形用戶界面；運(yùn)行應(yīng)用程序，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境；管理用戶和文件，保證系統(tǒng)安全。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)，逐個(gè)執(zhí)行任務(wù)，效率低下。2分時(shí)系統(tǒng)多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源，提高效率。3實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)外部事件，應(yīng)用于工業(yè)控制。4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持多個(gè)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，共享資源。5分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)，提高可靠性。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程是一個(gè)不斷進(jìn)化的過(guò)程，從最初的批處理系統(tǒng)到現(xiàn)代的分布式系統(tǒng)，不斷提升效率、功能和安全。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)將用戶作業(yè)成批提交，并按順序執(zhí)行。此類系統(tǒng)效率高，但缺乏交互性。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)將系統(tǒng)資源分配給多個(gè)用戶，使多個(gè)用戶可以同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，提高系統(tǒng)利用率。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)對(duì)事件做出快速響應(yīng)，通常用于工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。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，使計(jì)算機(jī)之間可以相互通信，例如WindowsServer、Linux等。進(jìn)程的概念與狀態(tài)定義進(jìn)程是指一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。狀態(tài)運(yùn)行態(tài)就緒態(tài)阻塞態(tài)進(jìn)程控制與調(diào)度1進(jìn)程控制操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建、撤銷、掛起和激活進(jìn)程。這些操作是進(jìn)程控制的核心。進(jìn)程控制是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)決定哪個(gè)進(jìn)程應(yīng)該在何時(shí)使用CPU的過(guò)程。調(diào)度算法的選擇對(duì)于系統(tǒng)性能至關(guān)重要。3多任務(wù)處理進(jìn)程調(diào)度器通過(guò)高效地分配CPU資源來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，讓多個(gè)進(jìn)程共享CPU，從而提高系統(tǒng)利用率。線程技術(shù)1輕量級(jí)進(jìn)程線程是進(jìn)程中的執(zhí)行單元，也稱為輕量級(jí)進(jìn)程，可以共享進(jìn)程的資源，如內(nèi)存空間、打開的文件等。2并發(fā)執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，這些線程可以并發(fā)執(zhí)行，提高程序效率和響應(yīng)能力。3提高性能線程可以充分利用多核處理器，提高程序執(zhí)行速度，例如，在多線程Web服務(wù)器中，多個(gè)線程可以同時(shí)處理多個(gè)用戶請(qǐng)求。4簡(jiǎn)化編程線程可以使程序代碼更容易理解和維護(hù)，例如，在圖形界面程序中，可以將不同的任務(wù)分配給不同的線程，例如，一個(gè)線程負(fù)責(zé)更新界面，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理用戶輸入。處理機(jī)管理處理機(jī)管理處理機(jī)管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，負(fù)責(zé)分配和管理處理機(jī)資源，以最大限度地提高系統(tǒng)效率。調(diào)度算法操作系統(tǒng)使用各種調(diào)度算法，例如先來(lái)先服務(wù)（FCFS）、最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級(jí)調(diào)度等，來(lái)決定哪個(gè)進(jìn)程獲得處理機(jī)資源。進(jìn)程切換當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間片用完或被其他進(jìn)程搶占時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行進(jìn)程切換，將處理機(jī)資源分配給另一個(gè)進(jìn)程。內(nèi)存管理概述內(nèi)存資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存資源。它決定哪些程序可以使用內(nèi)存，以及如何使用內(nèi)存。地址空間管理操作系統(tǒng)將物理內(nèi)存映射到邏輯地址空間，使程序員無(wú)需關(guān)心物理地址。程序內(nèi)存分配操作系統(tǒng)為程序分配內(nèi)存空間，以確保程序的正常運(yùn)行。內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)保護(hù)程序的內(nèi)存空間，防止程序相互干擾。連續(xù)分配方式單一連續(xù)分配將內(nèi)存空間劃分成一個(gè)系統(tǒng)區(qū)和一個(gè)用戶區(qū)，用戶程序被裝入用戶區(qū)。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但內(nèi)存利用率低，容易造成內(nèi)存碎片。固定分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分成若干個(gè)固定大小的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)只能裝入一個(gè)程序。程序大小必須小于分區(qū)大小，導(dǎo)致內(nèi)存浪費(fèi)，也不利于內(nèi)存共享。分頁(yè)存儲(chǔ)管理11.物理地址與邏輯地址將程序分成大小相同的頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)物理內(nèi)存塊。22.頁(yè)面表使用頁(yè)面表來(lái)記錄頁(yè)面在內(nèi)存中的物理地址，實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。33.頁(yè)面置換當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，使用頁(yè)面置換算法選擇頁(yè)面從內(nèi)存中移出，釋放空間給新頁(yè)面。44.優(yōu)點(diǎn)提高內(nèi)存利用率，允許程序大于物理內(nèi)存，支持多道程序運(yùn)行，方便程序管理。分段存儲(chǔ)管理程序邏輯劃分將程序劃分為若干個(gè)邏輯上相互獨(dú)立的段，每個(gè)段對(duì)應(yīng)程序中的一個(gè)邏輯單元。段表管理系統(tǒng)建立段表，記錄每個(gè)段的起始地址和長(zhǎng)度，以便進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。段頁(yè)式管理結(jié)合分段和分頁(yè)的優(yōu)點(diǎn)，將程序分成段，再將每個(gè)段分頁(yè)，以提高內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存概念虛擬內(nèi)存技術(shù)使用硬盤空間擴(kuò)展物理內(nèi)存容量。它讓程序可以訪問(wèn)超過(guò)實(shí)際物理內(nèi)存大小的地址空間。虛擬內(nèi)存使用頁(yè)表來(lái)管理物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存之間的映射關(guān)系。虛擬內(nèi)存機(jī)制當(dāng)程序需要訪問(wèn)不在物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)從硬盤加載到物理內(nèi)存。頁(yè)面置換算法決定哪個(gè)頁(yè)面被移出物理內(nèi)存。虛擬內(nèi)存優(yōu)勢(shì)虛擬內(nèi)存允許運(yùn)行多個(gè)大型程序，因?yàn)樗鼈兛梢怨蚕砦锢韮?nèi)存。它提高了系統(tǒng)資源利用率，并簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理。文件系統(tǒng)定義及特點(diǎn)文件系統(tǒng)定義文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中用于管理文件和目錄的結(jié)構(gòu)，為用戶提供訪問(wèn)、存儲(chǔ)和檢索文件的功能。文件系統(tǒng)特點(diǎn)文件系統(tǒng)提供組織、管理和保護(hù)文件的功能，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，提高數(shù)據(jù)安全性。文件系統(tǒng)作用文件系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)與硬件之間的橋梁，將數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化的方式進(jìn)行管理，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率。文件的邏輯結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)文件信息依次存儲(chǔ)，訪問(wèn)時(shí)按順序讀取，簡(jiǎn)單高效，適用于順序訪問(wèn)的文件。鏈接結(jié)構(gòu)文件信息以鏈接形式存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)非順序訪問(wèn)，靈活性高，但維護(hù)復(fù)雜，適用于隨機(jī)訪問(wèn)的文件。索引結(jié)構(gòu)文件信息以索引形式存儲(chǔ)，通過(guò)索引表快速定位文件塊，提高訪問(wèn)速度，適用于大規(guī)模文件?；旌辖Y(jié)構(gòu)結(jié)合多種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)文件類型選擇合適結(jié)構(gòu)，靈活高效，適用于多類型文件。文件目錄結(jié)構(gòu)1樹形結(jié)構(gòu)將文件系統(tǒng)組織成樹狀結(jié)構(gòu)，根目錄為樹根，其他目錄和文件作為樹枝和樹葉。2單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)所有文件都位于同一個(gè)目錄下，管理簡(jiǎn)單但效率較低，適用于小型系統(tǒng)。3二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將文件系統(tǒng)分為多個(gè)目錄，每個(gè)目錄包含特定類型文件，管理效率高于單級(jí)目錄。4多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)由多個(gè)層次的目錄組成，每個(gè)目錄可以包含子目錄，可以更有效地組織和管理文件。文件訪問(wèn)控制訪問(wèn)權(quán)限控制操作系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)權(quán)限控制列表管理用戶對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限。用戶身份驗(yàn)證用戶需要通過(guò)驗(yàn)證身份才能訪問(wèn)文件，確保文件安全。文件共享控制操作系統(tǒng)提供機(jī)制控制文件共享，確保文件安全和數(shù)據(jù)完整性。設(shè)備管理概述鍵盤用于向計(jì)算機(jī)輸入字符和控制命令。鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)在屏幕上的移動(dòng)，選擇菜單和文件。顯示器用于顯示計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果和信息。硬盤用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序連接橋梁設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的橋梁，為操作系統(tǒng)提供訪問(wèn)設(shè)備的接口。管理硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備的運(yùn)行，包括初始化、數(shù)據(jù)傳輸、錯(cuò)誤處理等。定制化設(shè)計(jì)不同的硬件設(shè)備需要不同的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序需要針對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。磁盤管理磁盤管理的任務(wù)磁盤管理主要負(fù)責(zé)磁盤空間的分配和回收，為文件系統(tǒng)提供物理塊。此外，磁盤管理還負(fù)責(zé)優(yōu)化磁盤空間的利用率，例如進(jìn)行碎片整理，防止出現(xiàn)磁盤碎片。磁盤管理的主要功能磁盤空間的分配和回收，為文件系統(tǒng)提供物理塊。磁盤訪問(wèn)控制，保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。優(yōu)化磁盤性能，例如進(jìn)行碎片整理，提高磁盤訪問(wèn)速度。輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)與硬件交互橋梁負(fù)責(zé)將用戶命令和程序數(shù)據(jù)傳遞給硬件，并將硬件的執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶。I/O設(shè)備管理負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中的各種輸入輸出設(shè)備進(jìn)行管理，包括設(shè)備的分配、使用和釋放。數(shù)據(jù)傳輸方式包括程序控制方式、中斷方式、DMA方式等，以提高系統(tǒng)效率。緩沖區(qū)管理1數(shù)據(jù)交換橋梁緩沖區(qū)作為數(shù)據(jù)交換的橋梁，在用戶空間和內(nèi)核空間之間傳遞數(shù)據(jù)。2提高效率緩沖區(qū)允許設(shè)備和CPU異步工作，避免相互等待，提高系統(tǒng)效率。3減少I/O等待緩沖區(qū)可以將數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)，減少系統(tǒng)頻繁訪問(wèn)I/O設(shè)備的次數(shù)。4數(shù)據(jù)緩存緩沖區(qū)可以緩存數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供更快的訪問(wèn)速度。磁盤調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)(FCFS)按照請(qǐng)求到達(dá)磁盤的順序進(jìn)行調(diào)度，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但容易造成磁盤臂頻繁移動(dòng)，效率較低。最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)選擇距離當(dāng)前磁頭最近的請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)，可以減少磁盤臂的移動(dòng)距離，提高效率，但容易造成饑餓現(xiàn)象。掃描(SCAN)磁頭從一端移動(dòng)到另一端，沿途服務(wù)所有請(qǐng)求，可以有效地減少磁盤臂的移動(dòng)距離，但也有可能造成饑餓現(xiàn)象。循環(huán)掃描(CSCAN)磁頭從一端移動(dòng)到另一端，然后立即回到起點(diǎn)，循環(huán)執(zhí)行，可以避免饑餓現(xiàn)象，提高效率。死鎖概念與產(chǎn)生條件死鎖定義死鎖是指多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而陷入僵持狀態(tài)，無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，互相等待，最終導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費(fèi)。死鎖可能發(fā)生在多道程序系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程共享資源，如果缺乏合理的控制，就會(huì)產(chǎn)生死鎖。死鎖產(chǎn)生條件死鎖的產(chǎn)生需要滿足四個(gè)必要條件，包括：互斥條件，占有且等待條件，不可剝奪條件和循環(huán)等待條件。當(dāng)這四個(gè)條件同時(shí)成立時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖。死鎖的預(yù)防和避免預(yù)防破壞死鎖產(chǎn)生的必要條件避免在資源分配時(shí)，事先進(jìn)行檢查銀行家算法是經(jīng)典的死鎖避免算法。死鎖的檢測(cè)與解除死鎖檢測(cè)死鎖檢測(cè)算法定期檢查系統(tǒng)狀態(tài)，判斷是否存在循環(huán)等待條件。檢測(cè)過(guò)程需要分析進(jìn)程資源分配圖，如果存在環(huán)路，則表明系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)。死鎖解除死鎖解除需要破壞現(xiàn)有死鎖狀態(tài)，恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。常見(jiàn)解除方法包括撤銷進(jìn)程、搶占資源、回滾進(jìn)程等，需要權(quán)衡不同方案的代價(jià)和效率。死鎖恢復(fù)策略選擇合適的死鎖恢復(fù)策略至關(guān)重要。進(jìn)程撤銷方法簡(jiǎn)單但代價(jià)高，資源搶占可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，回滾進(jìn)程則需要記錄操作日志，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。操作系統(tǒng)安全概述11.保護(hù)系統(tǒng)資源防止惡意用戶或程序訪問(wèn)和修改系統(tǒng)資源，包括硬件、軟件和數(shù)據(jù)。22.確保系統(tǒng)完整性防止惡意軟件或攻擊者破壞系統(tǒng)文件、配置和數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。33.保障用戶數(shù)據(jù)安全保護(hù)用戶數(shù)據(jù)不被泄露、篡改或刪除，確保用戶數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。44.提供安全