現(xiàn)代操作系統(tǒng)課件

現(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。它管理硬件資源，為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)概述計算機(jī)系統(tǒng)核心操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)的所有資源。提供用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供一個易于使用的接口，方便用戶操作計算機(jī)。資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機(jī)的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用程序運行環(huán)境操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境，并保證應(yīng)用程序正常運行。操作系統(tǒng)的功能管理計算機(jī)硬件操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機(jī)硬件，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它為應(yīng)用程序提供訪問硬件資源的接口，并確保資源的有效利用。提供用戶接口操作系統(tǒng)提供用戶界面，使用戶能夠與計算機(jī)進(jìn)行交互。用戶界面可以是圖形界面（GUI）或命令行界面（CLI）。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)20世紀(jì)50年代出現(xiàn)批處理操作系統(tǒng)，提高了計算機(jī)利用率。例如，通用自動程序控制系統(tǒng)（UNIVAC）和通用業(yè)務(wù)自動化系統(tǒng)（IBM704）。2分時操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)，如CTSS和Multics，允許多個用戶同時使用一臺計算機(jī)。3現(xiàn)代操作系統(tǒng)20世紀(jì)70年代至80年代，Unix和Windows等現(xiàn)代操作系統(tǒng)應(yīng)運而生，提供了圖形界面、多任務(wù)處理和網(wǎng)絡(luò)功能。4云計算操作系統(tǒng)21世紀(jì)，云計算技術(shù)的發(fā)展推動了云操作系統(tǒng)（例如，GoogleChromeOS和AmazonWebServices）的出現(xiàn)，它們基于云計算模型提供服務(wù)。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)早期的操作系統(tǒng)類型，通常用于大型機(jī)和服務(wù)器，以批次方式執(zhí)行作業(yè)。主要用于數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計算。分時操作系統(tǒng)允許多個用戶同時使用一臺計算機(jī)，并共享系統(tǒng)資源，例如CPU、內(nèi)存和外設(shè)。使用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法來實現(xiàn)多用戶共享。實時操作系統(tǒng)主要用于工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)和實時應(yīng)用，要求系統(tǒng)快速響應(yīng)外部事件，并及時處理數(shù)據(jù)，通常用于需要實時控制和高可靠性的場景。單用戶操作系統(tǒng)主要用于個人電腦，通常為單個用戶提供桌面環(huán)境和應(yīng)用軟件，例如Windows、macOS和Linux。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)各個組件的組織方式，決定了系統(tǒng)資源管理和調(diào)度策略的效率。常見的結(jié)構(gòu)包括分層式結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)。分層式結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分為若干層級，每層只與相鄰層交互，便于理解和維護(hù)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將核心功能簡化為最小集，其他功能由運行在用戶空間的模塊實現(xiàn)，靈活性高。模塊化結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分為獨立模塊，方便維護(hù)和擴(kuò)展。面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)設(shè)計為一系列對象，每個對象封裝了數(shù)據(jù)和操作，提高了代碼重用性和可維護(hù)性。進(jìn)程管理進(jìn)程定義進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。進(jìn)程管理功能進(jìn)程管理負(fù)責(zé)創(chuàng)建、終止、調(diào)度和同步進(jìn)程，確保系統(tǒng)資源的有效利用。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在運行過程中會經(jīng)歷不同的狀態(tài)，包括運行、就緒、阻塞和終止等。進(jìn)程的描述及狀態(tài)轉(zhuǎn)換創(chuàng)建進(jìn)程創(chuàng)建后，操作系統(tǒng)為其分配必要的資源，如內(nèi)存空間、進(jìn)程控制塊等，并將其置于“就緒”狀態(tài)，等待被調(diào)度執(zhí)行。就緒進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，意味著它已經(jīng)準(zhǔn)備好了執(zhí)行，但由于沒有獲得CPU，它暫時無法執(zhí)行。運行進(jìn)程獲得CPU后，便進(jìn)入運行狀態(tài)，開始執(zhí)行其代碼。阻塞進(jìn)程在等待某個事件發(fā)生，例如I/O操作完成或其他資源可用，此時進(jìn)程會進(jìn)入阻塞狀態(tài)。終止當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行完畢或出現(xiàn)異常情況，進(jìn)程將被終止，并釋放其占用的資源。進(jìn)程的調(diào)度11.進(jìn)程調(diào)度概述進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)管理多個進(jìn)程的關(guān)鍵機(jī)制，它決定了哪個進(jìn)程獲得CPU時間片，并分配資源。22.目標(biāo)目標(biāo)是最大限度地提高CPU利用率，最小化平均等待時間和響應(yīng)時間，并確保公平性。33.調(diào)度算法常見的調(diào)度算法包括先到先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、優(yōu)先級調(diào)度、輪轉(zhuǎn)調(diào)度等。44.實現(xiàn)操作系統(tǒng)使用調(diào)度程序來選擇和運行進(jìn)程，調(diào)度程序會根據(jù)算法選擇下一個要執(zhí)行的進(jìn)程。進(jìn)程同步與互斥信號量信號量是進(jìn)程間通信的一種機(jī)制，用于協(xié)調(diào)多個進(jìn)程對共享資源的訪問?；コ怄i互斥鎖是一種同步機(jī)制，用于確保在任何時候只有一個進(jìn)程可以訪問共享資源。條件變量條件變量是用于實現(xiàn)進(jìn)程間通信的同步機(jī)制，允許線程等待特定條件的發(fā)生。管程管程是一種高級的同步機(jī)制，它將共享資源及其訪問方法封裝在一個抽象數(shù)據(jù)類型中，確保同步的正確性。內(nèi)存管理11.虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存是利用硬盤空間來擴(kuò)展內(nèi)存容量，從而允許運行更大的程序，并提高系統(tǒng)效率。22.內(nèi)存分配策略內(nèi)存分配策略是指如何將內(nèi)存分配給不同的程序，常用的策略有：首次適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法、最差適應(yīng)算法。33.頁面置換算法頁面置換算法是在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，當(dāng)內(nèi)存空間不足時，需要將部分頁面換出到磁盤上，常用的頁面置換算法包括：FIFO、LRU、OPT。44.內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)是為了防止程序訪問其他程序的內(nèi)存空間，常見的保護(hù)機(jī)制包括：地址空間隔離、內(nèi)存訪問權(quán)限控制。內(nèi)存分配策略首次適應(yīng)算法首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的開始位置開始查找，找到第一個足夠大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。簡單易懂，但可能會導(dǎo)致內(nèi)存碎片化。最佳適應(yīng)算法最佳適應(yīng)算法從內(nèi)存的開始位置查找，找到最適合的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。可以減少內(nèi)存碎片化，但搜索時間較長。最差適應(yīng)算法最差適應(yīng)算法選擇最大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。可能會導(dǎo)致內(nèi)存碎片化，但可以為大型進(jìn)程分配更大空間?；锇橄到y(tǒng)算法伙伴系統(tǒng)算法將內(nèi)存劃分為大小為2的冪次方的分區(qū)，并采用二叉樹管理空閑分區(qū)?？梢杂行p少內(nèi)存碎片化，但對內(nèi)存大小有限制。虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存概念虛擬內(nèi)存是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。虛擬內(nèi)存利用磁盤空間作為額外的內(nèi)存，將程序代碼和數(shù)據(jù)分成頁面，并將這些頁面存儲在磁盤上。虛擬地址空間操作系統(tǒng)為每個進(jìn)程創(chuàng)建了一個虛擬地址空間，它是一個邏輯地址空間，與物理地址空間不同。虛擬地址空間中的地址稱為虛擬地址，這些地址被映射到物理地址空間中的物理地址。頁面置換算法FIFO先進(jìn)先出算法，最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面被最先替換。簡單易行，但容易出現(xiàn)Belady現(xiàn)象。LRU最近最少使用算法，最近使用過的頁面被保留，最久未使用的頁面被替換。性能較好，但需要額外的空間記錄頁面使用信息。OPT最佳頁面置換算法，選擇未來最長時間內(nèi)不會被訪問的頁面進(jìn)行替換。理論上最優(yōu)，但無法實現(xiàn)，僅用于比較其他算法。CLOCK時鐘算法，通過循環(huán)訪問頁面，并使用一個位標(biāo)記頁面是否被訪問，選擇最久未被訪問的頁面進(jìn)行替換。性能接近LRU，實現(xiàn)相對簡單。設(shè)備管理硬件管理設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備，包括CPU、內(nèi)存、磁盤、打印機(jī)、鍵盤等。資源分配當(dāng)多個進(jìn)程或用戶需要使用同一設(shè)備時，設(shè)備管理需要負(fù)責(zé)分配資源，防止沖突。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間溝通的橋梁，負(fù)責(zé)控制硬件設(shè)備的工作。設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性是指應(yīng)用程序不需要關(guān)心具體使用的設(shè)備類型，只需要通過統(tǒng)一的接口訪問設(shè)備。磁盤管理磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器是計算機(jī)系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)存儲和檢索數(shù)據(jù)。磁盤分區(qū)磁盤分區(qū)將磁盤劃分為多個邏輯單元，以便更有效地組織和管理數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)提供了一種結(jié)構(gòu)化的方式來組織和訪問磁盤上的數(shù)據(jù)。磁盤讀寫操作操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理磁盤的讀寫操作，確保數(shù)據(jù)安全可靠地存儲和訪問。文件管理文件組織與訪問文件系統(tǒng)管理所有文件，讓用戶輕松找到、訪問和管理數(shù)據(jù)。它使用目錄結(jié)構(gòu)來組織文件，并提供各種操作，例如創(chuàng)建、刪除、修改和復(fù)制文件。數(shù)據(jù)安全與完整性文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)文件免受意外刪除或損壞，并提供訪問控制機(jī)制，確保數(shù)據(jù)安全。它還管理文件備份和恢復(fù)機(jī)制，以防止數(shù)據(jù)丟失。文件存儲結(jié)構(gòu)線性結(jié)構(gòu)文件是一個連續(xù)的線性空間，每個文件占據(jù)一個連續(xù)的磁盤塊。樹形結(jié)構(gòu)文件是一個樹狀結(jié)構(gòu)，每個文件可以有子文件，并且可以以層次化的方式進(jìn)行組織。圖狀結(jié)構(gòu)文件是一個圖結(jié)構(gòu)，每個文件可以指向其他文件，并且可以以非層次化的方式進(jìn)行組織。文件系統(tǒng)11.文件組織方式文件系統(tǒng)將文件組織成樹狀結(jié)構(gòu)，方便用戶管理和訪問。22.文件訪問控制它提供訪問權(quán)限控制，保護(hù)文件免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。33.數(shù)據(jù)存儲管理文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理磁盤空間，為文件分配和釋放存儲空間。44.文件操作支持它提供各種文件操作，例如創(chuàng)建、刪除、讀取、寫入和重命名。輸入輸出管理I/O設(shè)備輸入/輸出設(shè)備用于與外部世界交互，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤等。I/O控制操作系統(tǒng)管理I/O設(shè)備，包括分配、控制和協(xié)調(diào)它們，確保高效使用。I/O驅(qū)動程序驅(qū)動程序是軟件，它們提供了特定設(shè)備的接口，使操作系統(tǒng)能夠控制它們。I/O緩沖緩沖區(qū)用于臨時存儲數(shù)據(jù)，以便在速度不匹配的設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。中斷機(jī)制中斷類型硬件中斷軟件中斷異常中斷處理流程中斷處理程序執(zhí)行，保護(hù)現(xiàn)場，處理中斷，恢復(fù)現(xiàn)場，返回主程序。中斷向量表存儲中斷處理程序的地址，用于快速定位處理程序。系統(tǒng)調(diào)用11.用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與內(nèi)核之間通信的橋梁。22.權(quán)限轉(zhuǎn)換用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行特定操作。33.安全保障系統(tǒng)調(diào)用提供了一層安全機(jī)制，防止用戶程序直接訪問內(nèi)核資源。44.豐富功能系統(tǒng)調(diào)用提供了一系列操作系統(tǒng)的核心功能，如文件管理、進(jìn)程管理等。保護(hù)與安全訪問控制操作系統(tǒng)實現(xiàn)訪問控制，保護(hù)系統(tǒng)資源免受非法訪問。用戶身份驗證，權(quán)限管理和訪問控制列表確保數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全。安全機(jī)制加密、數(shù)字簽名、防火墻、入侵檢測系統(tǒng)等安全機(jī)制保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性。操作系統(tǒng)提供安全機(jī)制，防止惡意軟件攻擊和數(shù)據(jù)泄露。操作系統(tǒng)的性能評估操作系統(tǒng)的性能評估對于了解系統(tǒng)運行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過評估，我們可以識別瓶頸，優(yōu)化資源分配，提高系統(tǒng)性能。5指標(biāo)響應(yīng)時間、吞吐量、資源利用率10方法基準(zhǔn)測試、性能分析工具15工具性能計數(shù)器、跟蹤工具、分析軟件20評估系統(tǒng)性能、資源利用、可靠性操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢云計算云計算技術(shù)逐漸普及，操作系統(tǒng)向云環(huán)境遷移，虛擬化技術(shù)和資源池管理成為核心。移動操作系統(tǒng)移動設(shè)備的普及推動了移動操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，其特點是輕量級、高效，支持多任務(wù)處理和移動互聯(lián)網(wǎng)。人工智能人工智能技術(shù)與操作系統(tǒng)相結(jié)合，帶來更智能的操作系統(tǒng)，例如自動任務(wù)調(diào)度、智能資源分配和個性化服務(wù)。安全與隱私安全和隱私成為未來操作系統(tǒng)的關(guān)鍵關(guān)注點，操作系統(tǒng)需要提供更強(qiáng)大的安全機(jī)制和隱私保護(hù)功能。單處理器操作系統(tǒng)單處理器操作系統(tǒng)定義單處理器操作系統(tǒng)是指在一個系統(tǒng)中只有一個中央處理器的操作系統(tǒng)。它只能在同一時間執(zhí)行一個任務(wù)。優(yōu)點成本較低相對簡單易于維護(hù)適合對性能要求不高的應(yīng)用缺點處理能力有限無法充分利用多核處理器的性能多處理器操作系統(tǒng)共享資源多個處理器共享相同的內(nèi)存和外設(shè)，提高資源利用率。并行處理多個處理器同時執(zhí)行不同的任務(wù)，提高系統(tǒng)性能。通信機(jī)制處理器之間需要相互通信協(xié)調(diào)，以確保系統(tǒng)正常運行。數(shù)據(jù)一致性確保多個處理器對共享數(shù)據(jù)的訪問一致，防止數(shù)據(jù)沖突。實時操作系統(tǒng)航空航天實時操作系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域至關(guān)重要，控制飛機(jī)飛行和導(dǎo)航系統(tǒng)。工業(yè)自動化實時操作系統(tǒng)在工業(yè)自動化中廣泛應(yīng)用，例如控制生產(chǎn)線、機(jī)器人和傳感器。醫(yī)療設(shè)備實時操作系統(tǒng)是醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，例如心電圖儀、呼吸機(jī)和手術(shù)機(jī)器人。分布式操作系統(tǒng)資源共享分布式操作系統(tǒng)允許在不同計算機(jī)之間共享硬件和軟件資源，例如磁盤存儲空間、打印機(jī)和應(yīng)用程序。可靠性通過將系統(tǒng)分布在多個計算機(jī)上，分布式操作系統(tǒng)可以提高容錯性和可靠性，即使其中一臺計算機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也可以繼續(xù)運行?？蓴U(kuò)展性分布式操作系統(tǒng)可以輕松地擴(kuò)展到處理更多用戶和數(shù)據(jù)，從而滿足不斷增長的需求。高性能通過將任務(wù)分配給多個計算機(jī)，分布式操作系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)性能，并加速計算過程。移動操作系統(tǒng)移動設(shè)備優(yōu)化移動操作系統(tǒng)針對移動設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，包括低功耗、觸摸屏交互和移動網(wǎng)絡(luò)連接等特性。應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)移動操作