操作系統(tǒng)概論教學(xué)課件

操作系統(tǒng)概論教學(xué)課件操作系統(tǒng)概述進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)調(diào)用與用戶(hù)接口實(shí)例分析：UNIX/Linux操作系統(tǒng)目錄CONTENT操作系統(tǒng)概述01操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，它控制計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用程序，為用戶(hù)和應(yīng)用程序提供便利的環(huán)境。操作系統(tǒng)的作用包括管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率和可靠性，以及為用戶(hù)提供友好的界面和環(huán)境。操作系統(tǒng)的定義和作用作用定義并發(fā)性虛擬性異步性隨機(jī)性操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)通過(guò)虛擬化技術(shù)將硬件資源抽象成邏輯資源，以便多個(gè)用戶(hù)或應(yīng)用程序可以共享和訪問(wèn)這些資源。操作系統(tǒng)中的任務(wù)可以是異步的，即它們可以在不同的時(shí)間點(diǎn)完成或發(fā)生。操作系統(tǒng)中的任務(wù)可能具有隨機(jī)性，例如處理中斷或異常，這些事件可能在任何時(shí)候發(fā)生。操作系統(tǒng)能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)可以是用戶(hù)程序、系統(tǒng)進(jìn)程或中斷處理程序。批處理操作系統(tǒng)這種操作系統(tǒng)將作業(yè)（即程序）組織成批，一批作業(yè)一起執(zhí)行，以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)這種操作系統(tǒng)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件做出響應(yīng)，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和執(zhí)行。分時(shí)操作系統(tǒng)這種操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每個(gè)用戶(hù)都可以在自己的終端上運(yùn)行程序，并且可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)這種操作系統(tǒng)是為個(gè)人計(jì)算機(jī)用戶(hù)設(shè)計(jì)的，例如Windows和Linux等。操作系統(tǒng)的分類(lèi)進(jìn)程管理02進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程定義動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、資源擁有性。進(jìn)程的特征程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的；程序是可再生的，而進(jìn)程是有生命期的；程序是普通的文本文件，而進(jìn)程擁有自己的地址空間。進(jìn)程與程序的區(qū)別進(jìn)程的概念進(jìn)程的創(chuàng)建：在操作系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)程序被加載到內(nèi)存并執(zhí)行時(shí)，就創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程的終止：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程完成了它的任務(wù)或由于錯(cuò)誤而不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)將終止該進(jìn)程。進(jìn)程的創(chuàng)建與終止方式：通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。進(jìn)程的創(chuàng)建與終止進(jìn)程同步在多道程序環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程之間應(yīng)當(dāng)相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)資源共享和任務(wù)合作。進(jìn)程同步就是一種協(xié)調(diào)進(jìn)程運(yùn)行的機(jī)制。進(jìn)程通信進(jìn)程通信是指不同進(jìn)程之間傳遞信息和數(shù)據(jù)的過(guò)程。常見(jiàn)的進(jìn)程同步與通信機(jī)制信號(hào)量機(jī)制、消息傳遞機(jī)制、共享內(nèi)存機(jī)制。進(jìn)程的同步與通信在多道程序環(huán)境下，兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程因爭(zhēng)奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象。死鎖定義互斥條件、請(qǐng)求與保持條件、不剝奪條件、環(huán)路等待條件。死鎖產(chǎn)生條件預(yù)防策略、避免策略、檢測(cè)與恢復(fù)策略。解決死鎖的策略死鎖問(wèn)題及解決策略?xún)?nèi)存管理0303優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，適用于小型系統(tǒng)。01固定分區(qū)分配02定義：將物理內(nèi)存分為固定數(shù)量的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的大小固定。內(nèi)存的分配與回收內(nèi)存的分配與回收01缺點(diǎn)：分區(qū)數(shù)量固定，不能靈活地利用內(nèi)存空間。02動(dòng)態(tài)分區(qū)分配03定義：在進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，根據(jù)進(jìn)程需要?jiǎng)討B(tài)地創(chuàng)建、擴(kuò)展或收縮分區(qū)?？梢造`活地利用內(nèi)存空間。優(yōu)點(diǎn)需要復(fù)雜的內(nèi)存管理算法來(lái)維護(hù)空閑分區(qū)。缺點(diǎn)內(nèi)存的分配與回收01交換技術(shù)02定義：將暫時(shí)不用的進(jìn)程從內(nèi)存中移到磁盤(pán)上，將需要運(yùn)行的進(jìn)程從磁盤(pán)上移到內(nèi)存中。03優(yōu)點(diǎn)：可以有效地利用內(nèi)存空間。04缺點(diǎn)：需要額外的磁盤(pán)空間，且可能導(dǎo)致磁盤(pán)I/O瓶頸。內(nèi)存的分配與回收定義為用戶(hù)提供一個(gè)比實(shí)際物理內(nèi)存大的虛擬地址空間，通過(guò)映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)可以擴(kuò)大程序的內(nèi)存空間，提高內(nèi)存利用率，支持多程序并發(fā)執(zhí)行。缺點(diǎn)可能導(dǎo)致頁(yè)交換和頁(yè)缺失，增加CPU的開(kāi)銷(xiāo)。虛擬內(nèi)存系統(tǒng)定義將內(nèi)存和外存都分為大小相等的頁(yè)，以頁(yè)為單位進(jìn)行分配、回收和管理。缺點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)碎片和外碎片，降低內(nèi)存利用率。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以靈活地利用內(nèi)存空間。頁(yè)式內(nèi)存管理123將內(nèi)存和外存都分為大小不等的段，以段為單位進(jìn)行分配、回收和管理。定義可以適應(yīng)不同大小的需求，方便分段共享和保護(hù)。優(yōu)點(diǎn)管理復(fù)雜，需要更多的內(nèi)存空間來(lái)保存段表等信息。缺點(diǎn)段式內(nèi)存管理文件系統(tǒng)04文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，由根目錄開(kāi)始，各級(jí)子目錄和文件從屬關(guān)系分明。文件類(lèi)型常見(jiàn)的文件類(lèi)型包括普通文件、目錄、符號(hào)鏈接、設(shè)備和特殊文件等。文件系統(tǒng)的定義文件系統(tǒng)是一種在物理存儲(chǔ)設(shè)備上組織數(shù)據(jù)的方法，它通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如目錄、文件和索引）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和檢索。文件系統(tǒng)的概念與結(jié)構(gòu)文件的讀寫(xiě)系統(tǒng)提供了讀寫(xiě)文件的系統(tǒng)調(diào)用，如read、write、fopen、fclose等。這些調(diào)用能夠?qū)崿F(xiàn)文件的讀取和寫(xiě)入操作。文件的刪除文件的刪除通常通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用remove或unlink來(lái)實(shí)現(xiàn)。刪除操作會(huì)永久性地移除文件和目錄。文件的創(chuàng)建在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建新文件通常需要打開(kāi)一個(gè)已存在的目錄，然后使用特定的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建新文件。文件的創(chuàng)建、讀寫(xiě)和刪除文件權(quán)限文件權(quán)限是用來(lái)控制對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限，包括讀、寫(xiě)、執(zhí)行等權(quán)限。這些權(quán)限可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用chmod、chown等進(jìn)行設(shè)置和修改。文件所有者與訪問(wèn)控制每個(gè)文件都有一個(gè)所有者，并且可以設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限來(lái)控制其他用戶(hù)對(duì)文件的訪問(wèn)。安全審計(jì)為了確保文件系統(tǒng)的安全，操作系統(tǒng)提供了審計(jì)機(jī)制，記錄對(duì)文件系統(tǒng)的訪問(wèn)和操作。文件系統(tǒng)的安全與保護(hù)索引技術(shù)索引技術(shù)能夠提高查找和訪問(wèn)文件的效率。常見(jiàn)的索引技術(shù)包括B樹(shù)、B+樹(shù)和哈希表等。并發(fā)控制為了確保多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)文件時(shí)的正確性和一致性，文件系統(tǒng)提供了并發(fā)控制機(jī)制，如鎖和事務(wù)處理。緩存技術(shù)文件系統(tǒng)通常使用緩存技術(shù)來(lái)提高讀取文件的性能。將常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中以便更快地訪問(wèn)。文件系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)備管理05設(shè)備管理是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行管理和控制的過(guò)程，以確保這些設(shè)備能夠高效、可靠、安全地運(yùn)行。設(shè)備管理定義設(shè)備管理的任務(wù)包括設(shè)備的初始化、設(shè)備的維護(hù)、設(shè)備的故障診斷與修復(fù)、設(shè)備的配置以及設(shè)備的報(bào)廢等。設(shè)備管理任務(wù)設(shè)備管理的概念與任務(wù)輸入設(shè)備分類(lèi)常見(jiàn)的輸出設(shè)備包括顯示器、打印機(jī)、音響等。輸出設(shè)備分類(lèi)特點(diǎn)輸入/輸出設(shè)備的特性、性能和效率直接影響到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和效率。常見(jiàn)的輸入設(shè)備包括鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀、攝像頭等。輸入/輸出設(shè)備的分類(lèi)及特點(diǎn)當(dāng)輸入/輸出設(shè)備完成一項(xiàng)任務(wù)或遇到故障時(shí)，會(huì)發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)給處理器，中斷處理程序會(huì)立即響應(yīng)并處理該信號(hào)。中斷處理為了緩解輸入/輸出設(shè)備和處理器之間速度不匹配的問(wèn)題，通常會(huì)使用緩沖區(qū)或緩沖隊(duì)列來(lái)暫存數(shù)據(jù)，以平滑兩者之間的操作。緩沖技術(shù)中斷處理與緩沖技術(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榱耸共僮飨到y(tǒng)能夠與各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行通信和交互，需要為每個(gè)設(shè)備編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備獨(dú)立性原則操作系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)Ω鞣N物理設(shè)備進(jìn)行抽象和映射，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立性，即用戶(hù)程序使用邏輯設(shè)備名來(lái)訪問(wèn)物理設(shè)備，從而簡(jiǎn)化設(shè)備的添加和刪除過(guò)程。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及設(shè)備獨(dú)立性原則系統(tǒng)調(diào)用與用戶(hù)接口06概念系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的接口，用于請(qǐng)求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，如進(jìn)程管理、文件操作、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。作用系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互的唯一途徑，應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求服務(wù)，操作系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)管理資源并響應(yīng)應(yīng)用程序的請(qǐng)求。系統(tǒng)調(diào)用的概念與作用01應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用入口（如trap指令）觸發(fā)異常，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。內(nèi)核在中斷處理程序中接收并處理系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求，然后返回結(jié)果給應(yīng)用程序。硬件通過(guò)中斷向量表和系統(tǒng)調(diào)用表等機(jī)制，將異常和系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求傳遞給內(nèi)核。系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)涉及到應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核以及硬件的協(xié)同工作。020304系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)方式特點(diǎn)命令行接口：簡(jiǎn)潔、高效，適用于專(zhuān)業(yè)用戶(hù)和批處理任務(wù)；但需要用戶(hù)具有一定的知識(shí)背景，交互性較差。Web接口：跨平臺(tái)、易于維護(hù)，適用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和分布式系統(tǒng)；但需要依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)連接，且可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)。GUI：直觀、易于學(xué)習(xí)，適用于普通用戶(hù)和日常任務(wù)；但會(huì)占用較多系統(tǒng)資源，且可能引發(fā)“界面疲勞”。分類(lèi)：命令行接口、圖形用戶(hù)接口（GUI）、Web接口等。用戶(hù)接口的分類(lèi)及特點(diǎn)系統(tǒng)維護(hù)定期檢查系統(tǒng)狀態(tài)、修復(fù)漏洞、升級(jí)軟件和硬件等。要點(diǎn)一要點(diǎn)二優(yōu)化方法調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、優(yōu)化程序算法、使用高效的并發(fā)模型等。系統(tǒng)維護(hù)與優(yōu)化方法實(shí)例分析：UNIX/Linux操作系統(tǒng)07早期的UNIX01UNIX操作系統(tǒng)起源于20世紀(jì)70年代，由Bell實(shí)驗(yàn)室的KenThompson和DennisRitchie開(kāi)發(fā)，最初目的是為了在PDP-7小型計(jì)算機(jī)上使用。BSD與SystemV02BSD是UNIX的另一個(gè)版本，由加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)。SystemV是AT&T開(kāi)發(fā)的UNIX版本。Linux的出現(xiàn)03Linux是由芬蘭學(xué)生LinusTorvalds在1991年首次編寫(xiě)的，它是一個(gè)基于UNIX的自由和開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)。UNIX/Linux操作系統(tǒng)的歷史與發(fā)展層次結(jié)構(gòu)UNIX/Linux操作系統(tǒng)由多個(gè)層次構(gòu)成，包括硬件層、操作系統(tǒng)內(nèi)核層、系統(tǒng)調(diào)用接口層、系統(tǒng)工具層、應(yīng)用程序?qū)印NIX/Linux支持多用戶(hù)和多任務(wù)，可以同