操作系統(tǒng)題目課件

操作系統(tǒng)題目課件操作系統(tǒng)概述進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理操作系統(tǒng)的安全性和可靠性操作系統(tǒng)性能評(píng)估和優(yōu)化contents目錄01操作系統(tǒng)概述定義操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源，提供各種服務(wù)，使用戶能夠高效、安全、方便地使用計(jì)算機(jī)。作用操作系統(tǒng)的主要作用是資源管理、程序控制、文件管理和用戶接口。它對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，使得各個(gè)應(yīng)用程序能夠按照需要和順序使用計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)為上層用戶提供方便、有效和安全的使用接口。操作系統(tǒng)的定義和作用并發(fā)性共享性虛擬性異步性操作系統(tǒng)的基本特征操作系統(tǒng)支持多個(gè)程序或進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)性可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度。操作系統(tǒng)允許多個(gè)進(jìn)程共享計(jì)算機(jī)資源，包括CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O設(shè)備等。共享資源可以減少資源浪費(fèi)，提高資源利用率。操作系統(tǒng)通過(guò)虛擬技術(shù)將物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源，使得用戶在使用時(shí)無(wú)需關(guān)心具體的物理細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化資源管理和使用。操作系統(tǒng)中的各種活動(dòng)和事件具有異步性，進(jìn)程的執(zhí)行速度不再受限于CPU的速度，可以實(shí)現(xiàn)非阻塞性的等待和喚醒。將作業(yè)提交給系統(tǒng)后，系統(tǒng)按照作業(yè)的先后順序逐個(gè)執(zhí)行，一般采用多道程序技術(shù)。批處理操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)將時(shí)間片分配給各個(gè)用戶，每個(gè)用戶輪流使用計(jì)算機(jī)，并等待下一次分配時(shí)間片。分時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)外部事件進(jìn)行響應(yīng)和處理，具有較高的響應(yīng)速度和可靠性。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種類型。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的分類02進(jìn)程管理進(jìn)程特征進(jìn)程具有獨(dú)立性、動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性和交往性。進(jìn)程定義進(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)程狀態(tài)就緒狀態(tài)、等待狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和完成狀態(tài)。進(jìn)程的基本概念進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要組成部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制系統(tǒng)中的所有進(jìn)程。進(jìn)程調(diào)度調(diào)度算法上下文切換包括優(yōu)先級(jí)調(diào)度、輪轉(zhuǎn)調(diào)度（RoundRobin）、短作業(yè)優(yōu)先（ShortestJobFirst）等。在進(jìn)程調(diào)度過(guò)程中，保存當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行上下文，恢復(fù)將要執(zhí)行的進(jìn)程的上下文。030201進(jìn)程的調(diào)度與控制用于協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行順序上的同步。同步機(jī)制通過(guò)使用信號(hào)量來(lái)控制多個(gè)進(jìn)程之間的訪問(wèn)和修改共享資源。信號(hào)量機(jī)制將共享變量和相關(guān)操作封裝在一個(gè)抽象的數(shù)據(jù)類型中，通過(guò)消息進(jìn)行通信。管程機(jī)制進(jìn)程的同步與通信死鎖避免通過(guò)設(shè)計(jì)避免死鎖的策略，如避免永久性資源分配、按順序分配資源、允許放棄資源和檢測(cè)并恢復(fù)死鎖。死鎖檢測(cè)與恢復(fù)通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中的死鎖，并采取相應(yīng)的措施（如撤銷進(jìn)程）來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。死鎖定義兩個(gè)或以上的進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，因爭(zhēng)奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象。死鎖問(wèn)題及解決策略03內(nèi)存管理也被稱為內(nèi)存儲(chǔ)器或主存儲(chǔ)器，是計(jì)算機(jī)中最重要的部件之一，用于存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)和指令。內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存(RAM)、只讀內(nèi)存(ROM)、高速緩存(Cache)、虛擬內(nèi)存。內(nèi)存儲(chǔ)器的種類在32位操作系統(tǒng)中，最大尋址空間為4GB，而在64位操作系統(tǒng)中，最大尋址空間為16EB。內(nèi)存的大小內(nèi)存的基本概念123在程序編譯時(shí)就已經(jīng)分配好內(nèi)存，運(yùn)行時(shí)不能改變。靜態(tài)內(nèi)存分配在程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配內(nèi)存空間。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配由于頻繁的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和釋放，導(dǎo)致內(nèi)存中出現(xiàn)了許多碎片，這些碎片會(huì)影響程序的性能。內(nèi)存碎片內(nèi)存分配策略為了保證程序的正確執(zhí)行，防止程序有意或無(wú)意地破壞其他程序或系統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)，需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，只允許用戶程序訪問(wèn)自己申請(qǐng)的內(nèi)存空間，不允許訪問(wèn)未分配的內(nèi)存空間。內(nèi)存保護(hù)機(jī)制內(nèi)存保護(hù)的實(shí)現(xiàn)內(nèi)存保護(hù)的概念緩存技術(shù)是一種將數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)設(shè)備中，以便更快地訪問(wèn)和操作這些數(shù)據(jù)的技術(shù)。緩存技術(shù)的概念緩存技術(shù)利用了計(jì)算機(jī)硬件的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速緩存中，以便更快地訪問(wèn)和操作這些數(shù)據(jù)。緩存技術(shù)的原理緩存技術(shù)及原理04文件系統(tǒng)03目錄目錄是文件系統(tǒng)的重要組成部分，它是一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，用于組織和存儲(chǔ)文件和子目錄。01文件文件是操作系統(tǒng)中最重要的抽象概念之一，它是一個(gè)有序的數(shù)據(jù)序列，被賦予一個(gè)名稱并存儲(chǔ)在磁盤上。02文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是一種組織、管理和保護(hù)文件的系統(tǒng)，它提供了文件的存儲(chǔ)、檢索和保護(hù)等功能。文件系統(tǒng)的基本概念文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要有以下幾種磁盤分區(qū)：將磁盤劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域作為一個(gè)獨(dú)立的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)：通過(guò)抽象和封裝底層物理存儲(chǔ)設(shè)備的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了一種通用的文件系統(tǒng)接口。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)：允許遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問(wèn)本地文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了文件共享和遠(yuǎn)程訪問(wèn)。01020304文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式文件的訪問(wèn)控制和保護(hù)是文件系統(tǒng)的重要功能之一，它確保了文件的正確使用和數(shù)據(jù)的完整性。訪問(wèn)控制機(jī)制：訪問(wèn)控制機(jī)制限制了用戶對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限，包括讀、寫、執(zhí)行等操作。文件保護(hù)機(jī)制：文件保護(hù)機(jī)制防止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問(wèn)和修改文件，包括加密、壓縮、備份等功能。文件的訪問(wèn)控制和保護(hù)文件系統(tǒng)的性能優(yōu)化是提高文件系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一，它包括以下幾個(gè)方面并發(fā)控制：并發(fā)控制保證了多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)文件時(shí)的正確性和一致性，避免了數(shù)據(jù)沖突和錯(cuò)誤。緩存技術(shù)：通過(guò)緩存技術(shù)可以減少磁盤訪問(wèn)次數(shù)，提高文件系統(tǒng)的讀寫速度。磁盤調(diào)度：磁盤調(diào)度優(yōu)化了磁盤的讀寫順序，減少了磁盤的機(jī)械操作時(shí)間，提高了磁盤的利用率。文件系統(tǒng)的性能優(yōu)化05設(shè)備管理設(shè)備管理概述01設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和控制外部設(shè)備的功能。它負(fù)責(zé)設(shè)備的初始化、分配、使用、釋放以及維護(hù)，是操作系統(tǒng)與外部設(shè)備交互的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)備分類02根據(jù)不同的特性，設(shè)備可以分為串行設(shè)備和并行設(shè)備、塊設(shè)備和字符設(shè)備等。設(shè)備控制器03每個(gè)設(shè)備都由一個(gè)設(shè)備控制器進(jìn)行管理，設(shè)備控制器負(fù)責(zé)與設(shè)備的通信和控制。設(shè)備管理的基本概念設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是負(fù)責(zé)與設(shè)備控制器進(jìn)行通信的軟件程序。它負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令給設(shè)備控制器，并處理來(lái)自設(shè)備控制器的中斷信號(hào)。中斷處理當(dāng)設(shè)備完成一項(xiàng)任務(wù)或發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)備控制器會(huì)向處理器發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。處理器會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，保存現(xiàn)場(chǎng)，然后跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序進(jìn)行處理。設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和中斷處理在操作系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要使用外部設(shè)備時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)一定的策略將設(shè)備分配給該進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程完成使用后，操作系統(tǒng)會(huì)將設(shè)備釋放回可用設(shè)備列表中。設(shè)備的分配和釋放為了提高設(shè)備的利用率和減少等待時(shí)間，操作系統(tǒng)使用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)將輸入和輸出操作保存在緩沖區(qū)中，然后根據(jù)需要再進(jìn)行讀寫操作。緩沖技術(shù)設(shè)備的分配和釋放及緩沖技術(shù)設(shè)備的狀態(tài)可以分為兩種：忙碌狀態(tài)和空閑狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備正在被使用時(shí)，它處于忙碌狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備處于可用狀態(tài)時(shí)，它處于空閑狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)設(shè)備的維護(hù)包括設(shè)備的初始化、故障檢測(cè)與修復(fù)、設(shè)備的定期維護(hù)等。為了確保設(shè)備的正常運(yùn)行，操作系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的機(jī)制來(lái)支持設(shè)備的維護(hù)。設(shè)備的維護(hù)設(shè)備的狀態(tài)及維護(hù)06操作系統(tǒng)的安全性和可靠性用戶身份認(rèn)證訪問(wèn)控制數(shù)據(jù)加密安全審計(jì)操作系統(tǒng)的安全性防護(hù)機(jī)制01020304通過(guò)用戶名、密碼等方式對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，確保只有授權(quán)用戶可以訪問(wèn)系統(tǒng)資源。根據(jù)用戶的角色、權(quán)限等限制對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和操作。對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶獲取和泄露敏感信息。對(duì)系統(tǒng)中的操作進(jìn)行記錄和監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并阻止非法操作和攻擊。通過(guò)硬件冗余、軟件冗余等技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，減少故障和錯(cuò)誤的發(fā)生。容錯(cuò)技術(shù)定期對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，確保在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠快速恢復(fù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。備份恢復(fù)策略通過(guò)系統(tǒng)日志、故障診斷工具等手段對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷和修復(fù)，盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故障診斷與修復(fù)通過(guò)負(fù)載均衡、性能優(yōu)化等技術(shù)提高系統(tǒng)的處理能力和穩(wěn)定性，減少故障的發(fā)生。負(fù)載均衡與性能優(yōu)化操作系統(tǒng)的可靠性及恢復(fù)策略制定定期備份、增量備份、全量備份等備份策略，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。備份策略備份工具數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)恢復(fù)測(cè)試使用專業(yè)的備份工具，如Acronis、NortonGhost等，對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)。通過(guò)數(shù)據(jù)還原、數(shù)據(jù)修復(fù)等技術(shù)恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)和文件，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。定期進(jìn)行恢復(fù)測(cè)試，確保備份工具和恢復(fù)技術(shù)的可靠性和有效性。系統(tǒng)備份和恢復(fù)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)07操作系統(tǒng)性能評(píng)估和優(yōu)化基準(zhǔn)測(cè)試使用系統(tǒng)監(jiān)控工具來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的資源利用率、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存分配等情況，如Linux的top、htop、vmstat等。監(jiān)控工具分析器用于分析系統(tǒng)性能瓶頸的工具，如gprof、valgrind等，可以幫助找出程序中影響性能的瓶頸。通過(guò)運(yùn)行一系列標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試用例，評(píng)估系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如處理器速度、內(nèi)存帶寬、磁盤I/O等。操作系統(tǒng)性能評(píng)估的方法和工具資源爭(zhēng)用分析系統(tǒng)中是否存在資源爭(zhēng)用現(xiàn)象，如多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，導(dǎo)致性能下降?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整資源訪問(wèn)順序或使用鎖機(jī)制來(lái)解決。CPU調(diào)度分析CPU調(diào)度策略是否合理，是否存在任務(wù)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或頻繁切換任務(wù)的情況。可通過(guò)調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級(jí)、使用進(jìn)程親和性或使用工作隊(duì)列等方式進(jìn)行優(yōu)化。I/O瓶頸檢查系統(tǒng)的I/O性能是否成為瓶頸，如磁盤I/O、網(wǎng)