軟工程師培訓之操作系統(tǒng)知識培訓

匯報人：AA2024-01-20軟工程師培訓之操作系統(tǒng)知識培訓延時符Contents目錄操作系統(tǒng)概述進程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設備管理網(wǎng)絡操作系統(tǒng)安全性與可靠性保障措施延時符01操作系統(tǒng)概述定義操作系統(tǒng)是一組主管并控制計算機操作、運用和運行硬件、軟件資源和提供公共服務來組織用戶交互的相互關聯(lián)的系統(tǒng)軟件程序。要點一要點二功能操作系統(tǒng)的主要功能是資源管理，程序控制和人機交互等。計算機系統(tǒng)的資源可分為設備資源和信息資源兩大類。設備資源指的是組成計算機的硬件設備，如中央處理器，主存儲器，磁盤存儲器，打印機，磁帶存儲器，顯示器，鍵盤輸入設備和鼠標等。信息資源指的是存放于計算機內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，如文件，程序庫，知識庫，系統(tǒng)軟件和應用軟件等。定義與功能發(fā)展歷程操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單到復雜，從單機到網(wǎng)絡的發(fā)展過程。早期的操作系統(tǒng)主要提供簡單的控制和管理功能，隨著計算機技術的發(fā)展和應用的深化，現(xiàn)代操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一個復雜而龐大的軟件系統(tǒng)?，F(xiàn)狀目前，主流的操作系統(tǒng)有Windows、Linux、macOS等。其中，Windows操作系統(tǒng)在個人電腦領域占據(jù)主導地位，而Linux則在服務器和嵌入式系統(tǒng)等領域得到廣泛應用。此外，隨著云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷演進和變革。發(fā)展歷程及現(xiàn)狀常見操作系統(tǒng)類型批處理操作系統(tǒng)：批處理(BatchProcessing)操作系統(tǒng)的工作方式是：用戶將作業(yè)交給系統(tǒng)操作員，系統(tǒng)操作員將許多用戶的作業(yè)組成一批作業(yè)，之后輸入到計算機中，在系統(tǒng)中形成一個自動轉(zhuǎn)接的連續(xù)的作業(yè)流，然后啟動操作系統(tǒng)，后者依次執(zhí)行作業(yè)流中的每個作業(yè)。最后由操作員將作業(yè)結果交給用戶。批處理操作系統(tǒng)的特點是：多道和成批處理。分時操作系統(tǒng)：分時(TimeSharing)操作系統(tǒng)的工作方式是：一臺主機連接了若干個終端，每個終端有一個用戶在使用。用戶交互式地向系統(tǒng)提出命令請求，系統(tǒng)接受每個用戶的命令，采用時間片輪轉(zhuǎn)方式處理服務請求，并通過交互方式在終端上向用戶顯示結果。用戶根據(jù)上步結果發(fā)出下道命令。分時操作系統(tǒng)將CPU的時間劃分成若干個片段，稱為時間片。操作系統(tǒng)以時間片為單位，輪流為每個終端用戶服務。每個用戶輪流使用一個時間片而使每個用戶并不感到有別的用戶存在。分時系統(tǒng)具有多路性、交互性、“獨占”性和及時性的特征。多路性指，伺時有多個用戶使用一臺計算機，宏觀上看是多個人同時使用一個CPU，微觀上是多個人在不同時刻輪流使用CPU。交互性是指，用戶根據(jù)系統(tǒng)響應結果進一步提出新請求(用戶直接干預每一步)。“獨占”性是指，用戶感覺不到計算機為其他人服務，就像整個系統(tǒng)為他所獨占。及時性指，系統(tǒng)對用戶提出的請求及時響應。實時操作系統(tǒng)：實時操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem)是指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致地運行的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。延時符02進程管理進程是操作系統(tǒng)中進行資源分配和調(diào)度的基本單位，它是程序的執(zhí)行過程，具有動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性和異步性等特征。進程定義進程在執(zhí)行過程中會經(jīng)歷多種狀態(tài)，如新建、就緒、運行、阻塞和終止等。這些狀態(tài)之間會根據(jù)特定條件進行轉(zhuǎn)換，如就緒到運行、運行到阻塞等。進程狀態(tài)操作系統(tǒng)通過進程控制塊來管理進程，PCB中包含了進程的各種信息，如進程標識符、處理器狀態(tài)、進程優(yōu)先級等。進程控制塊（PCB）進程概念及狀態(tài)轉(zhuǎn)換按照進程到達的先后順序進行調(diào)度，先到達的進程先執(zhí)行。先來先服務（FCFS）根據(jù)進程的執(zhí)行時間進行調(diào)度，執(zhí)行時間短的進程優(yōu)先執(zhí)行。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）根據(jù)進程的優(yōu)先級進行調(diào)度，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先執(zhí)行。優(yōu)先級調(diào)度將CPU時間劃分為固定大小的時間片，每個進程分配一個時間片，輪流執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)（RR）進程調(diào)度算法允許多個進程之間進行信息交換和數(shù)據(jù)共享的技術，常見的IPC方式有管道、消息隊列、信號量、共享內(nèi)存和套接字等。進程間通信（IPC）多個進程在并發(fā)執(zhí)行過程中，由于資源共享和協(xié)作而產(chǎn)生的制約關系，需要通過同步機制來協(xié)調(diào)它們的執(zhí)行順序，以確保系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性。常見的同步機制有信號量、互斥鎖、條件變量和讀寫鎖等。進程同步進程間通信與同步延時符03內(nèi)存管理程序在編譯或鏈接時確定內(nèi)存需求，操作系統(tǒng)在程序裝入內(nèi)存時一次性分配所需空間，程序運行期間不再改變。靜態(tài)分配程序在運行時根據(jù)需要申請或釋放內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)提供相應的內(nèi)存分配和回收機制。動態(tài)分配頻繁的內(nèi)存分配和釋放可能導致內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存利用率。解決方法包括緊湊技術、分段管理等。內(nèi)存碎片問題內(nèi)存空間分配與回收請求分頁系統(tǒng)將用戶程序的邏輯空間劃分為固定大小的頁，物理內(nèi)存劃分為同樣大小的頁框。程序執(zhí)行時按需將頁裝入內(nèi)存，實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。虛擬內(nèi)存概念通過軟硬件技術將物理內(nèi)存和外存結合起來，為用戶提供比實際物理內(nèi)存更大的邏輯內(nèi)存空間。頁面置換算法當內(nèi)存空間不足時，需要選擇某些頁換出到外存。常見的頁面置換算法有先進先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）等。虛擬內(nèi)存技術

內(nèi)存保護機制界限寄存器通過設置界限寄存器來限制用戶程序?qū)?nèi)存的訪問范圍，防止越界訪問。保護鍵為每個頁面設置一個保護鍵，只有持有相應保護鍵的程序才能訪問該頁面。段式保護將程序劃分為不同的段，每個段有自己的屬性和訪問權限。通過段表實現(xiàn)段式保護，確保程序按規(guī)定的權限訪問內(nèi)存。延時符04文件系統(tǒng)文件是計算機中存儲數(shù)據(jù)的基本單位，通常包含文本、圖像、音頻、視頻等內(nèi)容。文件概念根據(jù)文件內(nèi)容和格式的不同，文件可分為文本文件、二進制文件、圖像文件、音頻文件、視頻文件等。文件類型文件概念及類型操作系統(tǒng)采用樹形目錄結構來組織和管理文件，包括根目錄、子目錄和文件等。文件目錄結構文件路徑文件屬性文件路徑是指從根目錄到文件的路徑，分為絕對路徑和相對路徑兩種。文件屬性包括文件名、文件類型、文件大小、創(chuàng)建時間、修改時間等。030201文件組織結構03文件加密為了保護文件內(nèi)容的安全，可以采用文件加密技術對文件進行加密處理。01訪問權限操作系統(tǒng)為每個文件和目錄設置了不同的訪問權限，如讀權限、寫權限和執(zhí)行權限等。02權限控制通過用戶身份認證和訪問控制列表（ACL）等方式，操作系統(tǒng)可以控制不同用戶對文件和目錄的訪問權限。文件訪問權限控制延時符05設備管理設備驅(qū)動程序的作用設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與設備硬件之間的接口，它負責管理和控制設備的操作，提供設備的功能給應用程序使用。設備驅(qū)動程序的分類根據(jù)設備類型和使用方式的不同，設備驅(qū)動程序可分為字符設備驅(qū)動程序、塊設備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序等。設備驅(qū)動程序的實現(xiàn)原理設備驅(qū)動程序通過特定的系統(tǒng)調(diào)用來與設備進行通信，包括設備的初始化、數(shù)據(jù)的讀寫、設備的控制等。同時，設備驅(qū)動程序還需要處理設備的并發(fā)訪問和中斷處理等問題。設備驅(qū)動程序原理設備分配策略設備分配策略是指操作系統(tǒng)如何為進程分配所需的設備資源。常見的設備分配策略包括獨占分配、共享分配和虛擬分配等。獨占分配是指一個設備在一段時間內(nèi)只能被一個進程獨占使用；共享分配是指多個進程可以同時共享使用同一個設備；虛擬分配則是通過虛擬技術將物理設備抽象為邏輯設備，使得進程可以使用邏輯設備名稱來訪問物理設備。設備回收策略設備回收策略是指當進程不再需要某個設備時，操作系統(tǒng)如何回收該設備資源。常見的設備回收策略包括立即回收和延遲回收等。立即回收是指在進程釋放設備后立即回收設備資源；延遲回收則是在一段時間后再進行設備的回收，以便其他進程可以繼續(xù)使用該設備。設備分配與回收策略設備獨立性的概念：設備獨立性是指應用程序獨立于具體使用的物理設備的特性，即應用程序只需使用邏輯設備名稱即可訪問物理設備，而無需關心設備的具體型號和參數(shù)等信息。設備獨立性的優(yōu)點：設備獨立性可以提高系統(tǒng)的可移植性和易維護性，因為應用程序無需修改即可在不同的硬件平臺上運行。同時，設備獨立性還可以提高系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，因為新的物理設備可以很容易地加入到系統(tǒng)中，而無需修改應用程序代碼。設備獨立性的實現(xiàn)原理：設備獨立性的實現(xiàn)原理是通過引入邏輯設備和物理設備的概念，以及設備驅(qū)動程序和設備管理軟件的支持來實現(xiàn)的。在系統(tǒng)中，每個物理設備都對應一個邏輯設備名稱，應用程序只需使用邏輯設備名稱即可訪問物理設備。同時，設備管理軟件負責將邏輯設備請求轉(zhuǎn)換為物理設備的實際操作，并管理設備的并發(fā)訪問和資源共享等問題。設備獨立性原理延時符06網(wǎng)絡操作系統(tǒng)物理層負責在物理介質(zhì)上傳輸原始比特流。數(shù)據(jù)鏈路層負責將數(shù)據(jù)幀從一個節(jié)點傳輸?shù)较噜徆?jié)點，如以太網(wǎng)協(xié)議。網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，如IP協(xié)議。應用層負責處理特定的應用程序細節(jié)，提供如HTTP、FTP等應用層協(xié)議。傳輸層提供端到端的通信服務，如TCP和UDP協(xié)議。網(wǎng)絡協(xié)議棧結構網(wǎng)絡服務提供程序遠程過程調(diào)用（RPC）允許一臺計算機上的程序調(diào)用另一臺計算機上的程序。套接字編程（SocketProgram…提供網(wǎng)絡通信的接口，使得不同計算機上的程序可以相互通信。Web服務提供基于HTTP協(xié)議的Web應用服務，如Apache、Nginx等。文件傳輸服務提供文件上傳、下載和共享服務，如FTP、NFS等。介紹分布式文件系統(tǒng)的定義、特點、架構等基本概念。分布式文件系統(tǒng)的基本概念分布式文件系統(tǒng)的關鍵技術典型分布式文件系統(tǒng)介紹分布式文件系統(tǒng)的應用場景講解分布式文件系統(tǒng)中的關鍵技術，如數(shù)據(jù)一致性、容錯性、負載均衡等。介紹幾種典型的分布式文件系統(tǒng)，如Google的GFS、Hadoop的HDFS、Ceph等，并分析它們的優(yōu)缺點。探討分布式文件系統(tǒng)在云計算、大數(shù)據(jù)等領域的應用場景和發(fā)展趨勢。分布式文件系統(tǒng)原理延時符07安全性與可靠性保障措施操作系統(tǒng)安全性評估標準如金融、醫(yī)療等行業(yè)可能對操作系統(tǒng)安全性有更高的標準和要求。其他行業(yè)或組織特定的安全標準國際通用的操作系統(tǒng)安全性評估標準，包括安全功能需求和安全保證需求兩個方面。通用評估準則（CommonCriteria）我國政府對信息安全產(chǎn)品的強制性認證，要求操作系統(tǒng)必須通過該認證才能在國內(nèi)銷售和使用。國家信息安全產(chǎn)品測評認證通過設置規(guī)則，限制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進出操作系統(tǒng)，防止未經(jīng)授權的訪問和攻擊。防火墻技術監(jiān)控網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量和事件，及時發(fā)現(xiàn)并報告潛在的安全威脅。入侵檢測系統(tǒng)（IDS）定期掃描操作系統(tǒng)漏洞，并及時安裝補丁程序