計算機操作系統(tǒng)教程

計算機操作系統(tǒng)教程匯報人：AA2024-01-14CATALOGUE目錄計算機操作系統(tǒng)概述進(jìn)程與線程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧原理及TCP/IP協(xié)議族詳解操作系統(tǒng)安全策略與防護措施總結(jié)與展望01計算機操作系統(tǒng)概述計算機操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機軟硬件資源、提供用戶界面以及為應(yīng)用程序提供支持的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)的主要功能包括資源管理、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、用戶接口等，旨在提供一個穩(wěn)定、高效、安全的計算機運行環(huán)境。定義與功能功能定義發(fā)展歷程及現(xiàn)狀發(fā)展歷程計算機操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單控制批處理到分時、實時、網(wǎng)絡(luò)、分布式等復(fù)雜系統(tǒng)的演變過程。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷升級和完善?，F(xiàn)狀目前，主流的計算機操作系統(tǒng)包括Windows、macOS、Linux等。這些操作系統(tǒng)具有各自的特點和優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于個人電腦、服務(wù)器、移動設(shè)備等領(lǐng)域。分布式操作系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將多個獨立的計算機連接起來，形成一個統(tǒng)一的、協(xié)同工作的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享和管理。實時操作系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部輸入并處理任務(wù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。批處理操作系統(tǒng)主要用于大型計算機中心，能夠自動、順序地執(zhí)行多個作業(yè)。分時操作系統(tǒng)允許多個用戶通過終端同時與計算機進(jìn)行交互，實現(xiàn)資源共享。常見操作系統(tǒng)類型02進(jìn)程與線程管理進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)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。進(jìn)程定義進(jìn)程在執(zhí)行過程中會經(jīng)歷多種狀態(tài)，包括新建態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、阻塞態(tài)和終止態(tài)。這些狀態(tài)之間會根據(jù)特定條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)程狀態(tài)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以清晰地表示進(jìn)程在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程，以及導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件或條件。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)程概念及狀態(tài)轉(zhuǎn)換多個進(jìn)程在執(zhí)行過程中需要協(xié)調(diào)其推進(jìn)速度，以保證正確的程序執(zhí)行順序。常見的同步機制包括信號量、管程和消息傳遞等。進(jìn)程同步進(jìn)程間需要進(jìn)行信息交換以協(xié)同完成任務(wù)。常見的通信方式包括共享內(nèi)存、消息隊列、管道和信號等。進(jìn)程通信當(dāng)多個進(jìn)程競爭同一資源時，可能會發(fā)生死鎖或饑餓現(xiàn)象。操作系統(tǒng)需要采取相應(yīng)策略來避免或解決這些問題。死鎖與饑餓進(jìn)程同步與通信機制線程定義01線程是進(jìn)程內(nèi)的一個執(zhí)行單元，它是比進(jìn)程更小的能獨立運行的基本單位。一個進(jìn)程可以包含多個線程，這些線程共享進(jìn)程的地址空間和資源。線程狀態(tài)02線程的狀態(tài)與進(jìn)程類似，也包括新建、就緒、運行、阻塞和終止等狀態(tài)。但由于線程間的共享資源，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換相對更復(fù)雜。線程實現(xiàn)方式03線程可以通過內(nèi)核級線程或用戶級線程實現(xiàn)。內(nèi)核級線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理，而用戶級線程則由用戶程序自行管理。不同實現(xiàn)方式具有不同的優(yōu)缺點和適用場景。線程概念及實現(xiàn)方式03內(nèi)存管理將內(nèi)存空間劃分為連續(xù)的區(qū)域，每個區(qū)域分配給一個進(jìn)程使用。包括單一連續(xù)分配、固定分區(qū)分配和動態(tài)分區(qū)分配三種方式。連續(xù)分配策略允許一個進(jìn)程分散地裝入到許多不相鄰的內(nèi)存分區(qū)中。包括基本分頁存儲管理、基本分段存儲管理和段頁式存儲管理三種方式。非連續(xù)分配策略內(nèi)存空間分配策略基于局部性原理，將程序的一部分裝入內(nèi)存，其余部分留在外存，當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存。虛擬內(nèi)存技術(shù)原理通過請求分頁存儲管理、請求分段存儲管理和請求段頁式存儲管理等方式實現(xiàn)虛擬內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率和程序運行效率。虛擬內(nèi)存技術(shù)應(yīng)用虛擬內(nèi)存技術(shù)原理及應(yīng)用選擇最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面進(jìn)行置換，實現(xiàn)簡單但可能導(dǎo)致缺頁率增加。先進(jìn)先出（FIFO）算法選擇最近最長時間未被訪問的頁面進(jìn)行置換，能較好地反映程序局部性規(guī)律，但需要記錄頁面訪問信息，實現(xiàn)較復(fù)雜。最近最久未使用（LRU）算法選擇將來最長時間不會被訪問的頁面進(jìn)行置換，缺頁率最低，但需要預(yù)知未來頁面訪問情況，無法實現(xiàn)。最優(yōu)（OPT）算法結(jié)合FIFO和LRU算法的特點，通過循環(huán)掃描頁面并考慮其訪問位進(jìn)行置換，實現(xiàn)較簡單且性能較好。時鐘（CLOCK）算法頁面置換算法比較04文件系統(tǒng)文件概念文件是計算機系統(tǒng)中用于存儲和管理數(shù)據(jù)的基本單位，通常包含數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和文件屬性。文件組織結(jié)構(gòu)常見的文件組織結(jié)構(gòu)包括順序結(jié)構(gòu)、索引結(jié)構(gòu)、鏈表結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)。不同的組織結(jié)構(gòu)適用于不同的應(yīng)用場景，如順序結(jié)構(gòu)適用于連續(xù)訪問大量數(shù)據(jù)，而樹形結(jié)構(gòu)則適用于需要快速定位到任意文件的場景。文件概念及組織結(jié)構(gòu)訪問控制列表（ACL）ACL是一種基于用戶或用戶組的文件訪問權(quán)限控制方法。通過為文件或目錄指定一組訪問規(guī)則，可以控制不同用戶或用戶組對文件的讀寫執(zhí)行權(quán)限。強制訪問控制（MAC）MAC是一種基于系統(tǒng)安全策略的文件訪問權(quán)限控制方法。系統(tǒng)管理員可以定義安全級別和訪問規(guī)則，確保只有符合安全要求的用戶才能訪問特定文件。自主訪問控制（DAC）DAC是一種基于文件所有者的文件訪問權(quán)限控制方法。文件所有者可以自主決定其他用戶或用戶組對文件的訪問權(quán)限，包括讀、寫和執(zhí)行等。文件訪問權(quán)限控制方法文件共享是指多個用戶可以共同訪問和使用同一份文件。常見的文件共享方式包括基于網(wǎng)絡(luò)的文件共享和基于操作系統(tǒng)的文件共享。為了保護文件的安全性和完整性，操作系統(tǒng)提供了多種文件保護機制，如加密、備份和恢復(fù)等。加密可以確保文件在傳輸和存儲過程中的安全性，而備份和恢復(fù)則可以在文件損壞或丟失時及時恢復(fù)數(shù)據(jù)。當(dāng)多個用戶同時訪問同一份文件時，操作系統(tǒng)需要提供并發(fā)控制機制來確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。常見的并發(fā)控制方法包括鎖機制和事務(wù)處理等。鎖機制可以避免多個用戶同時修改同一份文件造成的數(shù)據(jù)沖突，而事務(wù)處理則可以確保一組操作要么全部成功要么全部失敗回滾，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。文件共享文件保護并發(fā)控制文件共享與保護機制05設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)

設(shè)備驅(qū)動程序概述設(shè)備驅(qū)動程序定義設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，用于與硬件設(shè)備進(jìn)行交互，提供對設(shè)備的控制和管理功能。設(shè)備驅(qū)動程序作用設(shè)備驅(qū)動程序充當(dāng)了操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，使得操作系統(tǒng)能夠識別、配置和控制硬件設(shè)備，從而實現(xiàn)設(shè)備的正常工作。設(shè)備驅(qū)動程序分類根據(jù)設(shè)備類型和工作原理的不同，設(shè)備驅(qū)動程序可分為字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序等。開發(fā)工具選擇設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)需要使用特定的編程語言和開發(fā)工具，如C語言、匯編語言以及相應(yīng)的編譯器和調(diào)試器等。開發(fā)環(huán)境配置為了進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)，需要配置相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，包括安裝開發(fā)工具、配置編譯選項、設(shè)置調(diào)試參數(shù)等。內(nèi)核編程基礎(chǔ)設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)涉及操作系統(tǒng)內(nèi)核編程，因此需要掌握內(nèi)核編程的基本概念和技術(shù)，如內(nèi)核模塊編程、中斷處理、內(nèi)存管理等。設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)環(huán)境搭建安全性與穩(wěn)定性設(shè)備驅(qū)動程序直接與硬件設(shè)備進(jìn)行交互，因此需要特別注意安全性和穩(wěn)定性問題，如防止緩沖區(qū)溢出、處理并發(fā)訪問沖突等。代碼規(guī)范與可讀性編寫設(shè)備驅(qū)動程序時，應(yīng)遵循一定的代碼規(guī)范，如命名規(guī)范、注釋規(guī)范等，以提高代碼的可讀性和可維護性。錯誤處理與調(diào)試在編寫設(shè)備驅(qū)動程序時，應(yīng)充分考慮錯誤處理機制，如錯誤碼定義、異常處理等，同時掌握調(diào)試技巧和方法，以便快速定位和解決問題。性能優(yōu)化與資源管理為了提高設(shè)備驅(qū)動程序的性能，應(yīng)注意優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇，同時合理管理資源，如內(nèi)存、CPU等，避免資源浪費和性能瓶頸。設(shè)備驅(qū)動程序編寫技巧06網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧原理及TCP/IP協(xié)議族詳解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基本概念和層次結(jié)構(gòu)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)會逐層進(jìn)行封裝，添加各層協(xié)議頭部信息；接收數(shù)據(jù)時，會逐層進(jìn)行解封裝，提取出各層協(xié)議頭部信息。數(shù)據(jù)封裝與解封裝網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是指網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議的總和，其規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶鸵?guī)則。協(xié)議棧定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧通常包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層等層次，各層之間通過特定的接口進(jìn)行通信。層次結(jié)構(gòu)TCP協(xié)議傳輸控制協(xié)議（TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP在傳送數(shù)據(jù)前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后要釋放連接。IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP）是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從源主機通過網(wǎng)絡(luò)路由到目標(biāo)主機。IP協(xié)議提供無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)報服務(wù)。UDP協(xié)議用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）是一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供簡單的、不可靠的數(shù)據(jù)報服務(wù)。UDP在傳送數(shù)據(jù)前不需要建立連接，也不保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。TCP/IP協(xié)議族核心協(xié)議介紹套接字（Socket）概念套接字是網(wǎng)絡(luò)編程中的一個重要概念，它提供了不同主機間或者同一主機不同進(jìn)程間通信的端點。套接字類型根據(jù)通信性質(zhì)的不同，套接字可分為流式套接字（TCP）、數(shù)據(jù)報套接字（UDP）和原始套接字等類型。套接字編程方法套接字編程通常包括創(chuàng)建套接字、綁定地址、監(jiān)聽連接、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等步驟。在編程過程中，需要使用特定的系統(tǒng)調(diào)用或庫函數(shù)來實現(xiàn)這些功能。網(wǎng)絡(luò)編程接口和套接字編程方法07操作系統(tǒng)安全策略與防護措施漏洞攻擊攻擊者利用操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序中的漏洞，通過特定方式觸發(fā)漏洞并執(zhí)行惡意代碼，從而獲取系統(tǒng)權(quán)限或破壞系統(tǒng)安全。身份冒用與權(quán)限提升攻擊者通過偽造用戶身份或提升自身權(quán)限，獲取對系統(tǒng)資源的非法訪問和操作能力。惡意軟件攻擊包括病毒、蠕蟲、木馬等，通過感染系統(tǒng)文件、竊取數(shù)據(jù)或破壞系統(tǒng)功能等方式對操作系統(tǒng)造成威脅。操作系統(tǒng)安全威脅分析03檢查與測試配置完成后，需要對ACL進(jìn)行檢查和測試，確保訪問規(guī)則的正確性和有效性。01定義訪問規(guī)則根據(jù)實際需求，定義不同用戶或用戶組對文件、目錄或系統(tǒng)資源的訪問規(guī)則，包括讀、寫、執(zhí)行等權(quán)限。02配置ACL使用操作系統(tǒng)提供的ACL配置工具或命令，將定義的訪問規(guī)則應(yīng)用到相應(yīng)的文件、目錄或系統(tǒng)資源上。訪問控制列表（ACL）配置方法加密文件與目錄使用EFS對敏感文件或目錄進(jìn)行加密，確保即使數(shù)據(jù)被竊取或磁盤被盜，攻擊者也無法輕易獲取文件內(nèi)容。備份與恢復(fù)定期備份加密密鑰和證書，以便在數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)崩潰時能夠恢復(fù)加密數(shù)據(jù)。同時，確保備份數(shù)據(jù)的安全存儲和傳輸。啟用EFS在操作系統(tǒng)中啟用EFS功能，并設(shè)置相關(guān)的加密策略和密鑰管理機制。加密文件系統(tǒng)（EFS）應(yīng)用實踐08總結(jié)與展望進(jìn)程管理詳細(xì)講解了進(jìn)程的概念、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進(jìn)程調(diào)度算法以及進(jìn)程同步與通信等關(guān)鍵知識點。操作系統(tǒng)基本概念介紹了操作系統(tǒng)的定義、功能、分類以及發(fā)展歷程等基本概念。內(nèi)存管理深入探討了內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)、虛擬內(nèi)存技術(shù)、頁面置換算法以及內(nèi)存保護等核心內(nèi)容。I/O設(shè)備管理講解了I/O設(shè)備的類型、I/O控制方式、設(shè)備驅(qū)動程序以及設(shè)備分配與回收等關(guān)鍵內(nèi)容。文件系統(tǒng)介紹了文件系統(tǒng)的基本概念、文件的組織與訪問方式、文件目錄結(jié)構(gòu)以及文件保護等知識點。課程回顧與知識點梳理云計算與虛擬化技術(shù)容器技術(shù)邊緣計算操作系統(tǒng)安全前沿技術(shù)動態(tài)關(guān)注介紹了云計算的基本概念、架構(gòu)以及虛擬化技術(shù)在云計算中的應(yīng)用。探討了邊緣計算的定義、架構(gòu)以及在物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。詳細(xì)講解了容器技術(shù)的原理、優(yōu)勢以及在微服務(wù)架構(gòu)中的應(yīng)用。介紹了操作系統(tǒng)面臨的安全威脅以及相應(yīng)的防護措施，如訪問控制、加密技術(shù)等。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來