《操作系統(tǒng)陸麗娜》課件

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。它管理和控制計算機硬件資源，為用戶提供一個友好的界面，并負責(zé)運行應(yīng)用程序。教學(xué)目標11.理解操作系統(tǒng)的基本概念學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的重要概念，例如進程、線程、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。22.掌握操作系統(tǒng)的主要功能了解操作系統(tǒng)的核心功能，如進程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理等。33.熟悉常見操作系統(tǒng)的特點了解不同類型操作系統(tǒng)，如Windows、Linux、macOS等，并熟悉它們的特點和應(yīng)用場景。44.培養(yǎng)操作系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的能力通過學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更好地理解操作系統(tǒng)的設(shè)計原理，并能應(yīng)用相關(guān)知識解決實際問題。什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心軟件。它負責(zé)管理計算機硬件資源，并為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)就像計算機的指揮官，協(xié)調(diào)各個硬件組件，執(zhí)行用戶指令。操作系統(tǒng)的功能管理計算機硬件資源操作系統(tǒng)管理計算機硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和打印機。它分配資源給不同的應(yīng)用程序，并確保資源的有效利用。提供用戶界面操作系統(tǒng)提供用戶界面，例如命令行界面或圖形用戶界面，使用戶能夠與計算機交互。它還提供工具和應(yīng)用程序，幫助用戶完成各種任務(wù)。管理文件和數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)管理文件和數(shù)據(jù)，包括創(chuàng)建、刪除、復(fù)制和移動文件。它還提供文件系統(tǒng)，使用戶能夠組織和訪問數(shù)據(jù)。提供安全機制操作系統(tǒng)提供安全機制，例如用戶身份驗證和訪問控制，保護系統(tǒng)免受惡意攻擊。它還管理用戶權(quán)限，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)將一批作業(yè)提交給系統(tǒng)，并按順序執(zhí)行，無需用戶交互。分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)將CPU時間分配給多個用戶，每個用戶都可以在短時間內(nèi)獲得響應(yīng)。實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)對事件做出快速響應(yīng)，通常用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持多個計算機連接到一個網(wǎng)絡(luò)，并共享資源和數(shù)據(jù)。進程管理進程概念進程是程序的一次執(zhí)行過程，它包含了程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。進程管理功能操作系統(tǒng)負責(zé)創(chuàng)建、撤銷、掛起、恢復(fù)、調(diào)度進程，并管理進程之間的同步和通信。進程控制塊（PCB）每個進程都有一個PCB，它存儲了進程的標識、狀態(tài)、資源等信息，是操作系統(tǒng)管理進程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進程狀態(tài)進程在生命周期中會經(jīng)歷多個狀態(tài)，例如就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)等。進程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換1新建進程被創(chuàng)建但尚未分配資源2就緒進程已分配資源，等待CPU3運行進程正在使用CPU4阻塞進程等待某個事件發(fā)生5終止進程完成或發(fā)生錯誤進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換是指進程在生命周期中狀態(tài)的變化。進程的生命周期包括五種狀態(tài)：新建、就緒、運行、阻塞和終止。進程間通信進程間通信（IPC）允許不同進程共享數(shù)據(jù)和資源。IPC機制用于協(xié)調(diào)進程之間的活動，提高系統(tǒng)效率。常見IPC機制包括管道、消息隊列、共享內(nèi)存和信號量。死鎖問題互鎖多個進程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行。資源爭奪當多個進程競爭使用相同的資源時，會導(dǎo)致死鎖。進程阻塞當一個進程無法獲取所需的資源時，它將被阻塞，無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖的四個必要條件互斥條件資源只能被一個進程獨占使用，其他進程無法訪問該資源。請求和保持條件進程已經(jīng)擁有至少一個資源，但又請求另一個資源，被阻塞。不可剝奪條件進程擁有的資源不能被其他進程強制剝奪，只有進程主動釋放資源。循環(huán)等待條件存在一個閉環(huán)的進程序列，每個進程都等待下一個進程釋放的資源。死鎖的預(yù)防和避免死鎖預(yù)防通過破壞死鎖的四個必要條件來防止死鎖發(fā)生，例如采用資源預(yù)先分配策略或禁止循環(huán)等待。死鎖避免在資源分配過程中動態(tài)檢測可能導(dǎo)致死鎖的狀況，并采取措施避免其發(fā)生，例如銀行家算法。內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負責(zé)管理計算機系統(tǒng)的內(nèi)存資源，為運行的程序提供內(nèi)存空間。1內(nèi)存分配為程序分配內(nèi)存空間2內(nèi)存保護防止程序訪問未授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域3內(nèi)存共享允許多個程序共享相同的內(nèi)存區(qū)域4內(nèi)存回收釋放不再使用的內(nèi)存空間內(nèi)存分配策略1首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的起始地址開始查找，直到找到一個足夠大的空閑分區(qū)來容納該進程。2最佳適應(yīng)算法從內(nèi)存中查找最小的可用分區(qū)，并將其分配給該進程。3最差適應(yīng)算法從內(nèi)存中查找最大的可用分區(qū)，并將其分配給該進程。4伙伴系統(tǒng)將內(nèi)存分成不同大小的塊，每個塊的大小都是2的冪。虛擬內(nèi)存擴大地址空間虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，克服物理內(nèi)存限制。提高多道程序度虛擬內(nèi)存允許系統(tǒng)同時運行多個程序，即使物理內(nèi)存有限，也能提高系統(tǒng)效率。提高內(nèi)存利用率將程序分段存儲在磁盤和內(nèi)存中，根據(jù)需要加載和替換，提高內(nèi)存利用率，降低內(nèi)存碎片。增強系統(tǒng)安全性虛擬內(nèi)存通過地址空間隔離，保護了不同進程的內(nèi)存空間，增強了系統(tǒng)安全性。頁面置換算法最佳置換算法該算法假設(shè)可以預(yù)測未來對頁面的訪問，選擇最久不會被訪問的頁面進行置換。該算法無法在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)，但提供了一個性能評估的基準。先進先出算法FIFO算法按照頁面進入內(nèi)存的順序進行置換，先進入內(nèi)存的頁面最先被置換出去。該算法簡單易實現(xiàn)，但可能會出現(xiàn)Belady現(xiàn)象，即內(nèi)存容量增大時反而導(dǎo)致頁面失效次數(shù)增加。設(shè)備管理1設(shè)備管理概述設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負責(zé)管理和控制計算機系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。2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)備之間的接口，用于控制設(shè)備的運行和數(shù)據(jù)傳輸。3設(shè)備分配與調(diào)度操作系統(tǒng)負責(zé)將設(shè)備分配給不同的進程，并根據(jù)需求對設(shè)備進行調(diào)度，以提高效率。磁盤管理磁盤調(diào)度算法提高磁盤利用率，減少磁盤等待時間，常見算法包括先來先服務(wù)，最短尋道時間優(yōu)先，掃描算法，循環(huán)掃描算法。磁盤空間管理管理磁盤空間分配和回收，常用的方法包括連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配。磁盤壞塊管理磁盤壞塊是指不能正常使用的磁盤空間，需要檢測并進行標記，避免誤操作，例如：磁盤壞塊管理技術(shù)。文件管理1文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，文件系統(tǒng)提供了管理文件的方式，確保數(shù)據(jù)組織合理，并為用戶提供訪問接口。2目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用層次化的目錄結(jié)構(gòu)，方便用戶管理文件，可以根據(jù)不同的類型進行分類，例如圖片、文檔、視頻等。3文件屬性每個文件都有屬性，例如文件名、大小、創(chuàng)建時間、修改時間、所有者、權(quán)限等等，這些信息方便用戶了解文件信息。4文件操作文件操作主要包括創(chuàng)建、打開、讀寫、刪除、移動、復(fù)制、重命名等操作，用戶可以通過這些操作來管理文件。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)，根目錄位于頂部，其他目錄和文件位于其下方。樹形結(jié)構(gòu)提供了清晰的文件組織方式，方便用戶查找和訪問文件。文件目錄文件目錄包含文件和子目錄的列表，并提供指向其在磁盤上的位置的指針。目錄結(jié)構(gòu)使文件組織更加靈活，方便用戶管理大量文件。文件存取方式順序存取順序存取是最簡單的文件存取方式，文件只能按照順序讀寫，訪問速度較慢。直接存取直接存取允許用戶直接訪問文件中的任何位置，無需順序訪問，訪問速度較快。索引存取索引存取利用索引結(jié)構(gòu)快速定位文件中的特定記錄，訪問速度快，適合需要隨機訪問的文件。安全與保護訪問控制防止未經(jīng)授權(quán)的訪問，例如用戶權(quán)限和密碼驗證。惡意軟件防護抵御病毒、蠕蟲、木馬等惡意軟件的攻擊，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)不被篡改或破壞，并提供數(shù)據(jù)恢復(fù)機制。訪問控制機制基于用戶的訪問控制根據(jù)用戶的身份和權(quán)限，確定用戶對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限，限制用戶操作。基于角色的訪問控制將用戶分配到不同的角色，每個角色擁有特定的權(quán)限，角色可以訪問特定資源?；趯ο蟮脑L問控制將系統(tǒng)資源劃分為不同的對象，每個對象具有特定的訪問控制列表，定義哪些用戶可以訪問哪些對象。操作系統(tǒng)安全威脅1病毒惡意軟件會復(fù)制自身，損害系統(tǒng)文件。2網(wǎng)絡(luò)攻擊黑客利用漏洞，竊取或破壞數(shù)據(jù)。3身份盜竊攻擊者獲取敏感信息，進行非法操作。4拒絕服務(wù)攻擊攻擊者阻止合法用戶訪問系統(tǒng)或服務(wù)。安全措施訪問控制訪問控制機制是操作系統(tǒng)安全的重要組成部分。它通過限制用戶對系統(tǒng)資源的訪問來保護系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。加密數(shù)據(jù)加密可以有效地保護敏感信息。通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為只有授權(quán)用戶才能理解的格式，加密可以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。防火墻防火墻是一種網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，它可以阻止來自外部網(wǎng)絡(luò)的未經(jīng)授權(quán)的訪問。防火墻通過檢查進出網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包來工作。入侵檢測系統(tǒng)入侵檢測系統(tǒng)(IDS)用于檢測和響應(yīng)對系統(tǒng)資源的惡意攻擊。IDS通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)活動來識別可疑行為。操作系統(tǒng)的歷史發(fā)展早期操作系統(tǒng)20世紀50年代出現(xiàn)，例如通用自動計算機(UNIVAC)和IBM的7090系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)20世紀60年代，例如IBM的OS/360和通用電氣公司的Multics系統(tǒng)。分時操作系統(tǒng)20世紀70年代，例如Unix系統(tǒng)和IBM的VM/370系統(tǒng)。個人計算機操作系統(tǒng)20世紀80年代，例如蘋果的MacOS和微軟的MS-DOS系統(tǒng)。圖形用戶界面(GUI)操作系統(tǒng)20世紀90年代，例如微軟的Windows和蘋果的macOS系統(tǒng)。移動操作系統(tǒng)21世紀，例如谷歌的Android和蘋果的iOS系統(tǒng)。Unix和Linux操作系統(tǒng)UnixUnix是一個多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，它最初誕生于20世紀60年代末。LinuxLinux是Unix的一個開源實現(xiàn)，它在20世紀90年代早期誕生，至今已發(fā)展成為世界上最流行的操作系統(tǒng)之一。命令行界面Unix和Linux都以其強大的命令行界面而聞名，這使得它們成為開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員的理想選擇。開源Linux的開源特性使其成為一個非?；钴S的社區(qū)，并為其帶來了廣泛的應(yīng)用。Windows操作系統(tǒng)Windows10Windows10是微軟發(fā)布的最新操作系統(tǒng)，擁有圖形用戶界面和多任務(wù)功能。Windows11Windows11是Windows10的后續(xù)版本，引入了新的設(shè)計語言和功能。WindowsServerWindowsServer是微軟的服務(wù)器操作系統(tǒng)，用于企業(yè)和數(shù)據(jù)中心。移動設(shè)備操作系統(tǒng)移動操作系統(tǒng)移動操作系統(tǒng)是專為移動設(shè)備設(shè)計的操作系統(tǒng)，例如智能手機和平板電腦。主要特點移動操作系統(tǒng)通常更輕量級，并優(yōu)化了觸摸屏交互，同時具有低功耗和無線連接特性。主流系統(tǒng)Android、iOS、WindowsPhone和HarmonyOS是目前最流行的移動操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的未來發(fā)展云計算云計算提供了一種將操作系統(tǒng)資源和服務(wù)按需分配的方式。它提高了資源利用率，降低了成本，并增強了靈活性。人工智能人