計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課件湯子瀛

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本課程將深入探討計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的核心概念和基本原理。涵蓋操作系統(tǒng)的主要功能，如內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、進(jìn)程管理、并發(fā)控制等等。課程概述課程目標(biāo)深入理解計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念、原理和工作機(jī)制，掌握操作系統(tǒng)的核心技術(shù)和應(yīng)用方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程內(nèi)容操作系統(tǒng)的基本概念進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件管理輸入/輸出管理操作系統(tǒng)的安全性操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W習(xí)方法課堂講授、課后練習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，積極參與課堂討論，獨(dú)立完成課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并通過查閱資料、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等方式擴(kuò)展知識(shí)面。操作系統(tǒng)的定義與功能1定義操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，它管理計(jì)算機(jī)的硬件資源和軟件資源，為用戶提供一個(gè)友好的使用環(huán)境。2功能操作系統(tǒng)的主要功能包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、輸入/輸出管理、安全管理等。3作用操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與用戶之間的橋梁，隱藏了硬件的復(fù)雜性，為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境。4目標(biāo)操作系統(tǒng)的目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、安全、方便地運(yùn)行。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)20世紀(jì)50年代，操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)，主要用于批處理系統(tǒng)，例如IBM的OS/360。2多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)20世紀(jì)60年代，多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)出現(xiàn)，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)效率。3分時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)70年代，分時(shí)操作系統(tǒng)出現(xiàn)，允許多個(gè)用戶共享計(jì)算機(jī)資源，提高了用戶體驗(yàn)。4個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)開始普及，例如MS-DOS和Apple的MacOS。5現(xiàn)代操作系統(tǒng)20世紀(jì)90年代至今，現(xiàn)代操作系統(tǒng)以圖形界面、網(wǎng)絡(luò)功能和多任務(wù)處理為主要特征，例如Windows、Linux和MacOSX。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)以批處理方式執(zhí)行任務(wù)，用戶無法直接與系統(tǒng)交互。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)將CPU時(shí)間分配給多個(gè)用戶，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件，對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)資源，支持計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)通常采用分層結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的功能分解成多個(gè)層次。每個(gè)層次提供特定的服務(wù)，并依賴于下一層提供的服務(wù)。這種分層結(jié)構(gòu)提高了操作系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。常見的層次包括：用戶接口層、系統(tǒng)調(diào)用層、內(nèi)核層、硬件抽象層。用戶接口層負(fù)責(zé)與用戶交互，系統(tǒng)調(diào)用層提供系統(tǒng)服務(wù)，內(nèi)核層管理系統(tǒng)資源，硬件抽象層隱藏硬件細(xì)節(jié)。進(jìn)程管理進(jìn)程的概念進(jìn)程是計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的最小單位，也是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。它包含程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程在生命周期中經(jīng)歷不同的狀態(tài)，例如：運(yùn)行、就緒、阻塞、新建、終止。進(jìn)程調(diào)度操作系統(tǒng)根據(jù)不同的策略選擇進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行，并分配系統(tǒng)資源，如CPU時(shí)間片，內(nèi)存空間等。進(jìn)程通信進(jìn)程之間需要相互通信才能協(xié)同完成任務(wù)，例如共享數(shù)據(jù)，同步和互斥等。進(jìn)程的概念和狀態(tài)進(jìn)程的概念進(jìn)程是指一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，包含了程序代碼、數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)資源等信息。進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存空間和地址空間，它們彼此隔離，并通過操作系統(tǒng)進(jìn)行通信。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在其生命周期中會(huì)經(jīng)歷不同的狀態(tài)。常見的進(jìn)程狀態(tài)包括運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、創(chuàng)建狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)程可以在這幾種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，例如，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程獲得CPU資源時(shí)，它將從就緒狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程等待I/O操作完成時(shí)，它將從運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。進(jìn)程調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)最簡(jiǎn)單，按到達(dá)時(shí)間順序執(zhí)行，易于實(shí)現(xiàn)。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程，能提高系統(tǒng)吞吐率，但可能導(dǎo)致短進(jìn)程饑餓。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行，可用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)將時(shí)間劃分為時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程輪流執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，適合分時(shí)系統(tǒng)。進(jìn)程通信機(jī)制1共享內(nèi)存多個(gè)進(jìn)程訪問同一內(nèi)存區(qū)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。2消息傳遞進(jìn)程間通過消息隊(duì)列發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。3管道進(jìn)程間通過管道進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳遞。4信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步和互斥訪問共享資源。內(nèi)存管理內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分。它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中內(nèi)存資源的分配、回收和使用。內(nèi)存管理目標(biāo)內(nèi)存管理的目標(biāo)是有效地利用內(nèi)存資源，提高內(nèi)存利用率，防止內(nèi)存碎片，并為用戶進(jìn)程提供安全、高效的內(nèi)存環(huán)境。內(nèi)存管理方式分頁式內(nèi)存管理將邏輯地址空間劃分成大小相同的頁，物理內(nèi)存也劃分成等大小的頁框，通過頁表將邏輯頁映射到物理頁框。分段式內(nèi)存管理將邏輯地址空間劃分成若干段，每個(gè)段可以有不同的長(zhǎng)度，物理內(nèi)存也劃分成段框，通過段表將邏輯段映射到物理段框。段頁式內(nèi)存管理將邏輯地址空間先劃分成段，再將每一段劃分成大小相同的頁，物理內(nèi)存也劃分成頁框，通過段表和頁表兩級(jí)映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。虛擬內(nèi)存技術(shù)擴(kuò)展物理內(nèi)存虛擬內(nèi)存技術(shù)允許操作系統(tǒng)使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上，以擴(kuò)展可用內(nèi)存。頁面調(diào)入和調(diào)出操作系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存劃分為頁面，并根據(jù)需要將頁面從硬盤加載到物理內(nèi)存，或?qū)⑵鋸奈锢韮?nèi)存移回硬盤。內(nèi)存保護(hù)虛擬內(nèi)存機(jī)制可以防止程序訪問其他程序的內(nèi)存空間，確保系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。文件管理文件概念文件是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的單位，包含各種數(shù)據(jù)和程序，通過文件名進(jìn)行訪問。文件組織文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織、存儲(chǔ)和管理文件，提供高效的文件訪問機(jī)制。文件操作操作系統(tǒng)提供文件操作接口，如創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉、讀取、寫入等。文件的概念和結(jié)構(gòu)11.數(shù)據(jù)集合文件是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集合，包括文本、代碼、圖片、音頻和視頻等。22.邏輯結(jié)構(gòu)文件在邏輯上組織成不同的結(jié)構(gòu)，如順序文件、索引文件、鏈接文件等，方便訪問和管理數(shù)據(jù)。33.物理結(jié)構(gòu)文件存儲(chǔ)在磁盤等存儲(chǔ)設(shè)備上，通常以塊的形式進(jìn)行組織，以便高效地分配和讀取數(shù)據(jù)。44.屬性信息每個(gè)文件都具有屬性信息，如文件名、大小、創(chuàng)建日期、訪問權(quán)限等，用于標(biāo)識(shí)和管理文件。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中用于管理文件和目錄的結(jié)構(gòu)，它為用戶提供了一種組織和訪問文件的方式。文件系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備上。文件系統(tǒng)定義了文件的邏輯組織方式，例如目錄結(jié)構(gòu)、文件名、文件屬性等，并提供了對(duì)文件進(jìn)行訪問、修改、刪除等操作的接口。輸入/輸出管理外部設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備都需要通過操作系統(tǒng)進(jìn)行管理。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收外部設(shè)備的請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序。I/O操作I/O操作包括讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)、控制設(shè)備等。操作系統(tǒng)需要管理這些操作的順序，并保證不同應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的訪問不會(huì)產(chǎn)生沖突。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件橋梁連接操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備。硬件控制提供操作硬件設(shè)備所需的接口和指令。數(shù)據(jù)傳輸管理設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。錯(cuò)誤處理檢測(cè)和處理設(shè)備錯(cuò)誤。磁盤管理磁盤分區(qū)磁盤分區(qū)將物理磁盤劃分成多個(gè)邏輯磁盤，每個(gè)邏輯磁盤都可以被操作系統(tǒng)視為一個(gè)獨(dú)立的磁盤。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織和管理磁盤上的文件和目錄，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問的抽象層。磁盤陣列磁盤陣列通過將多個(gè)磁盤組合在一起，提高磁盤的性能、可靠性和安全性。磁盤存儲(chǔ)管理磁盤存儲(chǔ)管理負(fù)責(zé)分配和回收磁盤空間，以確保數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)和高效訪問。操作系統(tǒng)的安全性安全威脅計(jì)算機(jī)病毒、惡意軟件和網(wǎng)絡(luò)攻擊是常見威脅。用戶錯(cuò)誤操作也會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)崩潰。安全漏洞是另一個(gè)重要威脅，攻擊者可以利用這些漏洞入侵系統(tǒng)。安全措施操作系統(tǒng)提供各種安全機(jī)制來保護(hù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)。包括訪問控制、身份驗(yàn)證、加密、防火墻等。操作系統(tǒng)還提供安全更新來修復(fù)漏洞。訪問控制機(jī)制基于用戶的訪問控制根據(jù)用戶身份進(jìn)行訪問控制。每個(gè)用戶擁有不同的權(quán)限，例如訪問特定文件或執(zhí)行特定操作?；诮巧脑L問控制根據(jù)用戶角色進(jìn)行訪問控制。每個(gè)角色擁有不同的權(quán)限，例如管理員擁有更高的權(quán)限，而普通用戶擁有有限的權(quán)限?；趯?duì)象的訪問控制根據(jù)對(duì)象的類型和屬性進(jìn)行訪問控制。例如，特定文件可能需要特定密碼才能訪問。操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)11.CPU利用率衡量CPU在單位時(shí)間內(nèi)用于執(zhí)行用戶程序的比例。22.響應(yīng)時(shí)間從用戶發(fā)出請(qǐng)求到系統(tǒng)給出響應(yīng)的時(shí)間間隔。33.吞吐量單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處理的任務(wù)數(shù)量或數(shù)據(jù)量。44.系統(tǒng)穩(wěn)定性系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的概率，體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。CPU利用率指標(biāo)描述CPU利用率CPU處于工作狀態(tài)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比高利用率表明CPU充分利用，系統(tǒng)效率高低利用率表明CPU空閑時(shí)間較多，系統(tǒng)效率低響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指從用戶發(fā)出請(qǐng)求到系統(tǒng)做出響應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間。它是衡量操作系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，反映了系統(tǒng)的及時(shí)性和交互性。10ms極快網(wǎng)頁加載或移動(dòng)應(yīng)用程序響應(yīng)100ms較快桌面應(yīng)用程序或游戲響應(yīng)1s中等大型軟件啟動(dòng)或數(shù)據(jù)庫查詢響應(yīng)10s慢長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)或大型文件傳輸吞吐量吞吐量是指在特定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的任務(wù)數(shù)量。例如，每秒處理的文件數(shù)量或每秒處理的網(wǎng)頁請(qǐng)求數(shù)量。操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域桌面系統(tǒng)Windows、macOS和Linux操作系統(tǒng)，為個(gè)人電腦提供用戶界面，管理硬件資源并運(yùn)行應(yīng)用程序。服務(wù)器系統(tǒng)Unix、Linux和WindowsServer操作系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、Web應(yīng)用程序等，用于管理網(wǎng)絡(luò)資源和數(shù)據(jù)。移動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)Android、iOS和HarmonyOS操作系統(tǒng)，為手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備提供平臺(tái)，管理硬件和軟件，支持應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)如FreeRTOS和Nucleus，運(yùn)行于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車和工業(yè)設(shè)備等，管理硬件，支持特定應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)專用性針對(duì)特定硬件平臺(tái)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。資源受限內(nèi)存、存儲(chǔ)空間、處理能力等資源有限。實(shí)時(shí)性對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，確保在特定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。低功耗在有限的能源供應(yīng)下，最大限度地降低功耗。分布式操作系統(tǒng)資源共享分布式操作系統(tǒng)可共享硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源，提高資源利用率。并行處理多個(gè)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作，提高系統(tǒng)處理能力，解決單機(jī)無法完成的任務(wù)。高可靠性分布式系統(tǒng)中，部分節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響整體系統(tǒng)運(yùn)行，提高可靠性?？蓴U(kuò)展性通過添加新的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模，應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。多媒體操作系統(tǒng)音樂和音頻多媒體操作系統(tǒng)提供高質(zhì)量的音頻播放和錄制功能，以及對(duì)各種音頻格式的支持。視頻和電影支持高清視頻播放，以及對(duì)各種視頻格式和編解碼器的支持。圖像和圖形提供圖像處理軟件，以及對(duì)各種圖像格式的支持，包括矢量圖形和像素圖形。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)支持虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供身臨其境的體驗(yàn)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嚴(yán)格的時(shí)間約束實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)外部事件，確保系統(tǒng)及時(shí)完成任務(wù)。例如，工業(yè)控制系統(tǒng)需要在特定的時(shí)間內(nèi)完