操作系統(tǒng)知識講座

操作系統(tǒng)知識講座目錄操作系統(tǒng)概述進程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理磁盤調(diào)度算法操作系統(tǒng)安全與保護01操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，它是計算機上的一個關(guān)鍵組成部分。定義操作系統(tǒng)的主要功能是管理計算機的硬件和軟件資源，確保它們得到合理的分配和使用。作用定義與作用從早期的批處理操作系統(tǒng)，到分時操作系統(tǒng)，再到現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷演進。未來操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢包括更加智能化、更加安全、更加高效和更加易用等。發(fā)展歷程及趨勢趨勢發(fā)展歷程常見操作系統(tǒng)類型如Windows、macOS等，主要用于個人計算機和工作站。如Linux、WindowsServer等，主要用于服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如Android、iOS等，主要用于智能手機和平板電腦。如VxWorks、WindowsCE等，主要用于嵌入式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。桌面操作系統(tǒng)服務(wù)器操作系統(tǒng)手機操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括計算機科學、信息技術(shù)、通信、軍事、工業(yè)控制等。重要性操作系統(tǒng)是計算機的靈魂，它決定了計算機的性能和穩(wěn)定性。同時，操作系統(tǒng)也是計算機安全的關(guān)鍵，它負責保護計算機免受病毒和黑客的攻擊。因此，掌握操作系統(tǒng)知識對于計算機專業(yè)人士來說至關(guān)重要。應(yīng)用領(lǐng)域及重要性02進程管理進程是程序的一次執(zhí)行過程，是動態(tài)的概念。進程具有獨立性、異步性、并發(fā)性等特點。進程概念及特點進程是資源分配的基本單位，包括處理機、內(nèi)存等資源。進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊（PCB）三部分組成。終止狀態(tài)進程執(zhí)行完畢或因某種原因被終止。創(chuàng)建狀態(tài)進程正在被創(chuàng)建，尚未轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)。阻塞狀態(tài)進程因等待某種條件（如I/O操作）而暫停執(zhí)行。就緒狀態(tài)進程已獲得除處理機外的所需資源，等待分配處理機資源。執(zhí)行狀態(tài)進程正在處理機上執(zhí)行。進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖ABCD進程調(diào)度算法介紹先來先服務(wù)（FCFS）算法按照進程到達的先后順序進行調(diào)度。優(yōu)先級調(diào)度算法根據(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。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）算法優(yōu)先選擇執(zhí)行時間短的進程進行調(diào)度。時間片輪轉(zhuǎn)（RR）算法將處理機時間劃分為時間片，按時間片輪轉(zhuǎn)方式調(diào)度進程。原子操作鎖機制信號量機制進程通信并發(fā)控制機制01020304不可分割的操作，即該操作要么全部完成，要么全部不完成。通過加鎖和解鎖操作來控制對共享資源的訪問。通過信號量的P、V操作來實現(xiàn)進程間的同步和互斥。進程間通過消息傳遞、共享內(nèi)存等方式進行通信和協(xié)作。03內(nèi)存管理固定分區(qū)分配動態(tài)分區(qū)分配伙伴系統(tǒng)分區(qū)保護內(nèi)存分區(qū)與分配策略將內(nèi)存劃分為若干固定大小的區(qū)域，每個分區(qū)只能裝入一個作業(yè)。基于動態(tài)分區(qū)分配，通過拆分和合并空閑分區(qū)來滿足不同大小的內(nèi)存請求。根據(jù)作業(yè)大小和需求動態(tài)劃分內(nèi)存空間，提高內(nèi)存利用率。確保不同作業(yè)在各自分區(qū)內(nèi)運行，互不干擾。虛擬內(nèi)存技術(shù)原理虛擬內(nèi)存概念通過軟硬件結(jié)合，將部分暫時不用的程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到外存上，以便騰出足夠的內(nèi)存空間給當前急需的程序。地址映射實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，包括頁表、段表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。缺頁中斷處理當訪問的頁面不在內(nèi)存時，觸發(fā)缺頁中斷，系統(tǒng)將所需頁面調(diào)入內(nèi)存。頁面置換算法當內(nèi)存空間不足時，選擇合適的頁面進行置換，以便騰出空間給新頁面。最佳置換算法（OPT）理論上的最優(yōu)算法，選擇未來最長時間不會被訪問的頁面進行置換。選擇最先進入內(nèi)存的頁面進行置換。選擇最近最長時間未被訪問的頁面進行置換。通過循環(huán)遍歷內(nèi)存頁面，選擇符合條件的頁面進行置換。先進先出置換算法（FIFO）最近最久未使用置換算法（LRU）時鐘置換算法（CLOCK）頁面置換算法比較對不同內(nèi)存區(qū)域設(shè)置不同的訪問權(quán)限，防止越權(quán)訪問。訪問權(quán)限控制通過地址空間隔離，確保不同進程在各自的內(nèi)存空間內(nèi)運行。內(nèi)存隔離對敏感數(shù)據(jù)進行加密存儲，防止數(shù)據(jù)泄露。內(nèi)存加密通過數(shù)據(jù)校驗機制，檢測并糾正內(nèi)存中的數(shù)據(jù)錯誤。校驗和與奇偶校驗內(nèi)存保護機制04文件系統(tǒng)文件定義文件是計算機系統(tǒng)中具有符號名的、在邏輯上具有完整意義的一組相關(guān)信息項的有序序列。文件屬性包括文件名、文件類型、文件長度、文件位置、文件創(chuàng)建時間、文件修改時間等。這些屬性描述了文件的特征和狀態(tài)。文件概念及屬性

目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計原則分級目錄結(jié)構(gòu)將文件系統(tǒng)中的所有文件按照樹形結(jié)構(gòu)進行組織，各級目錄之間具有層次關(guān)系。目錄查詢效率目錄結(jié)構(gòu)應(yīng)便于快速查找文件，提高文件檢索效率。目錄項管理每個目錄項包含文件名、文件屬性等信息，用于唯一標識一個文件。目錄項的管理包括創(chuàng)建、刪除、修改等操作。文件系統(tǒng)需要實時跟蹤和管理存儲設(shè)備的空閑空間，以便為新文件分配存儲空間?？臻e空間管理根據(jù)文件的長度和存儲設(shè)備的特性，選擇合適的空間分配策略，如連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配等?？臻g分配策略當文件被刪除或修改時，需要及時回收不再使用的存儲空間，避免空間浪費。存儲空間回收文件存儲空間管理策略文件保護通過訪問控制、加密等手段保護文件的安全性和完整性，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和修改。文件共享允許多個用戶或進程同時訪問和使用同一個文件，提高文件利用率。并發(fā)控制當多個用戶或進程同時訪問同一個文件時，需要采用并發(fā)控制技術(shù)來協(xié)調(diào)它們之間的操作，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況。文件共享與保護方法05設(shè)備管理如硬盤、固態(tài)硬盤等，特點是容量大、速度慢，用于永久存儲數(shù)據(jù)。存儲設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備通信設(shè)備如鍵盤、鼠標等，特點是將用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的信號。如顯示器、打印機等，特點是將計算機處理結(jié)果以人可識別的方式輸出。如網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等，特點是實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。設(shè)備分類及特點通道控制方式通道是一個獨立于CPU的專門負責數(shù)據(jù)輸入輸出的處理機，可以控制多臺設(shè)備，實現(xiàn)了I/O操作的并行性。程序直接控制方式CPU直接控制I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送，效率較低。中斷控制方式CPU與I/O設(shè)備并行工作，當I/O設(shè)備準備好后向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷并完成數(shù)據(jù)傳送，效率較高。DMA控制方式DMA控制器直接控制內(nèi)存與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，無需CPU干預(yù)，效率更高。I/O控制方式比較了解設(shè)備硬件特性熟悉設(shè)備的硬件接口、寄存器配置等信息。編寫設(shè)備初始化代碼在設(shè)備驅(qū)動程序中初始化設(shè)備，包括設(shè)置設(shè)備參數(shù)、分配資源等。處理設(shè)備中斷編寫設(shè)備中斷處理函數(shù)，處理設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求。實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸編寫數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，實現(xiàn)CPU與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計要點先來先服務(wù)策略按照設(shè)備請求到達的先后順序進行設(shè)備分配。優(yōu)先級高者優(yōu)先策略根據(jù)設(shè)備請求的優(yōu)先級進行設(shè)備分配，優(yōu)先級高的請求優(yōu)先得到滿足。設(shè)備分配的安全性在設(shè)備分配過程中要考慮安全性問題，避免發(fā)生死鎖現(xiàn)象。設(shè)備的回收與再利用當設(shè)備不再被使用時應(yīng)及時回收并分配給其他需要的進程使用。設(shè)備分配與回收策略06磁盤調(diào)度算法磁盤由多個盤片組成，每個盤片被劃分為若干個同心圓磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)。磁盤結(jié)構(gòu)磁盤工作時，磁頭在盤片表面上進行徑向移動，同時盤片以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，使得磁頭能夠訪問到任意位置的扇區(qū)。工作原理磁盤結(jié)構(gòu)和工作原理先來先服務(wù)算法（FCFS）按照進程請求訪問磁盤的先后順序進行調(diào)度，具有公平性和簡單性，但平均尋道時間可能較長。優(yōu)先處理距離當前磁頭位置最近的請求，以降低平均尋道時間，但可能導(dǎo)致某些進程長時間等待。磁頭從一端向另一端移動，處理途中遇到的請求，直到到達另一端后再返回，以減少磁頭移動距離和等待時間。在掃描算法的基礎(chǔ)上，規(guī)定磁頭只能從一端向另一端移動，到達另一端后立即返回起始端，并再次進行掃描，以避免磁頭在兩端之間的無效移動。最短尋道時間優(yōu)先算法（SSTF）掃描算法（SCAN）循環(huán)掃描算法（CSCAN）磁盤調(diào)度算法介紹123通過將多個磁盤組合成一個邏輯磁盤陣列，提供數(shù)據(jù)冗余和/或并行訪問能力，以提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性、容量和性能。RAID技術(shù)原理常見的RAID級別包括RAID0、RAID1、RAID5等，分別提供不同的數(shù)據(jù)冗余和性能優(yōu)化方案。RAID級別RAID技術(shù)廣泛應(yīng)用于需要高可靠性、大容量和高性能數(shù)據(jù)存儲的領(lǐng)域，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等。應(yīng)用場景RAID技術(shù)原理和應(yīng)用磁盤緩存技術(shù)利用內(nèi)存作為磁盤緩存，緩存經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，以減少磁盤訪問次數(shù)和等待時間。磁盤陣列技術(shù)利用RAID等磁盤陣列技術(shù)，提供數(shù)據(jù)冗余和并行訪問能力，以提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性、容量和性能。多磁盤并行技術(shù)通過同時使用多個磁盤進行并行讀寫操作，以提高數(shù)據(jù)傳輸速度和吞吐量。磁盤碎片整理定期整理磁盤上的文件碎片，以提高文件訪問速度和磁盤空間利用率。磁盤性能優(yōu)化方法07操作系統(tǒng)安全與保護包括病毒、蠕蟲、特洛伊木馬等，可能破壞系統(tǒng)完整性、竊取信息或干擾正常運行。惡意軟件通過大量請求擁塞系統(tǒng)資源，使合法用戶無法訪問服務(wù)。拒絕服務(wù)攻擊攻擊者可能利用操作系統(tǒng)中的漏洞，獲取非法權(quán)限或執(zhí)行惡意代碼。漏洞利用來自內(nèi)部人員的濫用權(quán)限、誤操作或惡意行為也可能對系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅。內(nèi)部威脅01030204操作系統(tǒng)安全威脅分析自主訪問控制由資源所有者決定誰可以訪問其資源，以及訪問的權(quán)限級別。強制訪問控制由系統(tǒng)管理員定義訪問規(guī)則，強制執(zhí)行對主體和客體的訪問控制?；诮巧脑L問控制根據(jù)用戶在組織中的角色分配訪問權(quán)限，簡化權(quán)限管理。屬性基訪問控制基于資源、主體和環(huán)境的屬性進行訪問控制決策，提供更細粒度的控制。訪問控制策略實現(xiàn)磁盤加密對整個磁盤或磁盤分區(qū)進行加密，保護數(shù)據(jù)免受物理盜竊或丟失的威脅。提供安全的密碼存儲和管理機制，防止密碼泄露和濫用。密碼管理對存儲在磁盤上的文件進行加密，防止未經(jīng)授權(quán)訪