《操作系統(tǒng)原理ch》課件

操作系統(tǒng)原理《操作系統(tǒng)原理》課程PPT課件介紹計算機操作系統(tǒng)課程簡介計算機科學基礎本課程將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念，為學生提供堅實的計算機科學基礎。實踐操作能力課程內容注重理論與實踐相結合，幫助學生掌握操作系統(tǒng)相關的實踐操作能力。問題解決能力通過深入理解操作系統(tǒng)的工作原理，學生能夠更好地解決實際問題，提升自身解決問題的能力。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，管理計算機的硬件資源并提供用戶界面，方便用戶使用計算機。功能操作系統(tǒng)主要負責管理計算機的硬件資源，例如處理器、內存、存儲器和外設，以及管理用戶程序，方便用戶操作計算機。管理功能操作系統(tǒng)的管理功能包括進程管理、內存管理、文件管理、設備管理和安全管理。操作系統(tǒng)發(fā)展歷程1現代操作系統(tǒng)Windows、Linux、macOS2多用戶操作系統(tǒng)Unix、Multics3批處理操作系統(tǒng)IBM的OS/3604單用戶操作系統(tǒng)MS-DOS、CP/M操作系統(tǒng)發(fā)展歷程可以追溯到上世紀50年代。早期的操作系統(tǒng)主要是批處理系統(tǒng)，例如IBM的OS/360。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，出現了單用戶操作系統(tǒng)，例如MS-DOS和CP/M。到了上世紀70年代，多用戶操作系統(tǒng)開始興起，例如Unix和Multics?，F代操作系統(tǒng)，例如Windows、Linux和macOS，提供了更強大的功能和更友好的用戶界面。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)是一種早期的操作系統(tǒng)，它將作業(yè)以批量的形式提交給系統(tǒng)，然后由系統(tǒng)依次執(zhí)行。分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)允許多個用戶同時使用一臺計算機，系統(tǒng)將CPU時間分配給不同的用戶，實現資源共享。實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)主要用于控制和管理實時系統(tǒng)，要求對事件做出快速響應，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)等。網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)為計算機網絡提供資源共享和管理功能，例如文件共享、打印機共享、用戶管理等。操作系統(tǒng)的層次結構操作系統(tǒng)結構分為不同的層次，每個層次都負責特定的任務。這些層次彼此交互，共同執(zhí)行操作系統(tǒng)的功能。通常，操作系統(tǒng)的層次結構包括以下幾個級別：內核層系統(tǒng)調用層用戶程序層進程和線程的概念進程進程是正在運行的程序的實例，它包含程序代碼、數據和系統(tǒng)資源。每個進程擁有獨立的內存空間和資源。線程線程是進程中的執(zhí)行單元，共享同一進程的內存空間和資源，可以獨立執(zhí)行。多個線程可以并發(fā)運行，提高程序效率。關系進程是資源分配的基本單位，而線程是CPU調度的基本單位。一個進程可以包含多個線程，并共享進程資源。進程的狀態(tài)及其轉換就緒狀態(tài)進程已準備就緒，等待CPU資源分配，可以立即執(zhí)行。運行狀態(tài)進程正在CPU上執(zhí)行，分配了CPU時間片，可以執(zhí)行任務。阻塞狀態(tài)進程被阻塞，等待某一事件發(fā)生，例如I/O操作完成或其他資源可用。進程的調度算法先來先服務(FCFS)按照進程到達的順序進行調度。簡單易實現，但可能導致短進程等待時間過長。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇下一個運行的進程是估計運行時間最短的進程。提高系統(tǒng)吞吐量，但可能導致長進程饑餓。優(yōu)先級調度每個進程都分配一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進程先執(zhí)行。可用于區(qū)分重要性和緊急程度，但可能導致低優(yōu)先級進程饑餓。時間片輪轉每個進程分配一個時間片，時間片結束后切換到下一個進程。公平分配CPU時間，但可能造成額外開銷。線程的特點和優(yōu)勢輕量級線程是進程中的一部分，比進程更輕量級，創(chuàng)建和銷毀速度更快。并發(fā)性多個線程可以同時執(zhí)行，提高系統(tǒng)資源利用率。共享資源線程共享進程的內存空間和資源，便于協同工作。提高效率通過并發(fā)執(zhí)行，線程可以提高程序的執(zhí)行效率，特別是對于I/O密集型任務。進程間通信機制管道管道是一種最簡單的通信方式，用于在具有親緣關系的進程之間傳送數據。數據以字節(jié)流的形式寫入管道，由另一個進程從管道中讀取。消息隊列消息隊列是進程間通信的一種機制，允許進程間通過隊列進行通信。每個消息隊列可以關聯一個隊列名，并允許多個進程對其進行讀寫操作。信號量信號量是一種同步機制，用于控制對共享資源的訪問。信號量是一個計數器，可以用于協調進程之間的訪問。共享內存共享內存允許進程間直接訪問同一塊內存空間。這是一種高效的通信方式，但需要謹慎管理共享資源，防止數據沖突。死鎖的概念及其原因資源競爭多個進程競爭同一資源，導致部分進程無法繼續(xù)執(zhí)行。循環(huán)等待多個進程相互等待對方釋放資源，形成循環(huán)依賴關系。不合理資源分配操作系統(tǒng)資源分配不合理，可能導致某些進程長期占有資源，阻礙其他進程運行。進程掛起某些進程進入等待狀態(tài)，導致系統(tǒng)陷入僵局，無法繼續(xù)進行。死鎖的預防和避免死鎖是一個嚴重的問題，它會使系統(tǒng)停止響應，并導致資源浪費。為了解決死鎖問題，可以采取預防措施和避免措施。1預防通過限制資源的訪問，可以防止死鎖的發(fā)生。2避免通過使用算法來動態(tài)地檢測和避免死鎖。3檢測和恢復檢測到死鎖發(fā)生后，采取措施解除死鎖。內存管理概述內存資源管理內存管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，負責分配和管理內存資源。進程地址空間操作系統(tǒng)為每個進程分配一個獨立的地址空間，以確保進程之間相互隔離。內存保護內存管理機制能夠防止進程訪問其他進程的內存空間，從而保護系統(tǒng)安全。內存分配與回收操作系統(tǒng)需要根據程序的需求動態(tài)分配和回收內存空間，提高內存利用率。連續(xù)分配和分頁存儲管理1連續(xù)分配連續(xù)分配內存的方式，將內存空間劃分為多個連續(xù)的區(qū)域，每個進程占用一個連續(xù)的區(qū)域。簡單易懂，但也存在外部碎片和內部碎片問題。2分頁存儲管理將程序邏輯地址空間劃分為固定大小的頁，物理內存劃分為相同大小的頁框，進程的頁可以裝入到非連續(xù)的頁框中，從而可以避免外部碎片。3頁面置換當內存空間不足時，需要將頁面從內存中換出到磁盤上，當需要使用該頁面時，再將其從磁盤調入內存。分頁存儲管理機制1頁表頁表是一種數據結構，用于存儲每個頁面在內存中的物理地址。2地址轉換CPU產生的邏輯地址通過頁表轉換為物理地址，實現虛擬地址空間到物理地址空間的映射。3頁面置換當內存空間不足時，需要將部分頁面從內存中移出，選擇合適的頁面置換算法。頁面置換算法FIFOFIFO算法是最簡單的頁面置換算法，它根據頁面進入內存的順序進行置換，先進入的頁面先被置換出去。LRULRU算法是最常用的頁面置換算法之一，它根據頁面最后一次被訪問的時間進行置換，最近最少使用的頁面會被置換出去。OPTOPT算法是最佳頁面置換算法，它根據未來頁面訪問的順序進行置換，未來最長時間不會被訪問的頁面會被置換出去。CLOCKCLOCK算法是LRU算法的一種近似實現，它使用一個循環(huán)隊列來維護頁面訪問信息，并使用一個指針來指向當前頁面。虛擬存儲器概念虛擬存儲器是一種內存管理技術，它允許程序使用比物理內存更大的地址空間。它將程序代碼和數據分成固定大小的塊，稱為頁面。這些頁面可以存儲在磁盤上，并在需要時加載到內存中。優(yōu)勢虛擬存儲器提供了以下優(yōu)勢：允許程序使用大于物理內存的地址空間提高系統(tǒng)效率，允許多個程序同時運行提高程序安全性，防止程序之間相互影響文件系統(tǒng)的概念和功能數據管理文件系統(tǒng)管理和組織存儲在計算機上的數據。訪問控制它定義了用戶和程序對文件的訪問權限，以保護數據完整性和安全性。命名和組織文件系統(tǒng)為文件提供邏輯結構，使用目錄和文件名來組織和檢索它們。共享和協作文件系統(tǒng)允許不同用戶或程序共享文件，并提供同步和版本控制機制。文件系統(tǒng)的組成結構文件系統(tǒng)組織方式是指如何管理文件在存儲設備上的存儲和訪問，是操作系統(tǒng)的重要組成部分。主要由目錄結構、文件分配表、文件控制塊等組成。目錄結構用于描述文件組織形式，文件分配表用于記錄文件在磁盤上的分配情況，文件控制塊用于描述文件屬性和內容。文件的分配方式連續(xù)分配在連續(xù)分配方式中，每個文件被分配一個連續(xù)的磁盤空間塊。這簡化了尋址，但存在外部碎片問題，即可能存在未使用的空間塊分散在已分配空間之間。鏈接分配鏈接分配方式使用指針將文件塊鏈接起來，允許文件分散在磁盤上的非連續(xù)塊中。這解決了外部碎片問題，但可能存在指針丟失的風險。索引分配索引分配方式使用索引節(jié)點(inode)來管理文件，其中包含文件塊的索引。這種方式提供了靈活性和高效的磁盤空間利用率。文件的目錄管理1層次結構目錄組織成樹狀結構，方便文件查找與管理。目錄結構由根目錄、子目錄和文件組成，每個目錄可以包含多個子目錄和文件。每個目錄包含指向子目錄和文件的指針。2文件命名每個文件需要一個唯一的名稱，通過名稱可以找到對應文件。文件命名通常遵循系統(tǒng)規(guī)定，可以使用大小寫字母、數字和特殊字符。3目錄操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、修改目錄等操作。同時提供創(chuàng)建、刪除、打開、關閉文件等操作。目錄和文件管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一。文件的保護與共享文件保護防止用戶未經授權訪問或修改文件內容。使用訪問控制列表(ACL)和權限設置限制對文件的訪問權限。例如，設置文件訪問權限為“只讀”，防止用戶修改文件內容。文件共享允許多個用戶同時訪問和使用同一個文件。通過共享目錄、符號鏈接或網絡文件系統(tǒng)實現文件共享，方便協作和資源利用。設備管理的概念和功能資源分配操作系統(tǒng)管理硬件資源，例如CPU、內存、磁盤和打印機，并根據需求分配給不同的進程。訪問控制設備管理確保進程僅訪問其已授權使用的設備，防止非法訪問或沖突。性能優(yōu)化通過高效分配資源，提高設備利用率，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，減少延遲和等待時間。安全保障保護硬件資源免受惡意使用或損壞，確保數據完整性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。設備管理的類型磁盤設備管理磁盤設備管理負責管理磁盤空間，包括磁盤分配、文件存儲和訪問控制。它會對磁盤空間進行合理分配，以提高存儲效率和性能。打印設備管理打印設備管理負責管理打印機等外設，包括打印作業(yè)的排隊、調度和打印狀態(tài)監(jiān)控。網絡設備管理網絡設備管理負責管理網絡接口卡、路由器和交換機等網絡設備，包括網絡連接、數據傳輸和網絡安全管理。緩沖區(qū)管理11.緩存數據緩沖區(qū)用于存儲數據，在設備和CPU之間進行數據傳輸。22.提高效率通過緩存，可以減少CPU等待設備傳輸的時間，提高系統(tǒng)效率。33.協調速度緩沖區(qū)充當速度匹配器，協調CPU和設備之間的速度差異。44.管理策略緩沖區(qū)管理涉及分配、回收和數據流控制等策略。磁盤管理硬盤分配操作系統(tǒng)將磁盤空間分配給不同的文件和目錄，以便有效地存儲和訪問數據。磁盤分區(qū)將硬盤劃分成多個邏輯分區(qū)，每個分區(qū)可以獨立使用，增強管理靈活性和安全性。磁盤性能優(yōu)化通過優(yōu)化磁盤碎片整理、緩存管理等，提升磁盤讀寫速度，提高系統(tǒng)整體性能。數據備份和恢復提供數據備份機制，確保數據安全，并制定恢復策略，以應對磁盤故障。輸入/輸出子系統(tǒng)數據傳輸操作系統(tǒng)負責管理數據在系統(tǒng)內部和外部設備之間流動.設備驅動程序操作系統(tǒng)使用驅動程序來控制外部設備，例如硬盤，鍵盤和顯示器.中斷處理中斷處理程序處理來自外部設備的信號，并通知操作系統(tǒng)，以便及時響應.緩沖管理緩沖區(qū)用于提高數據傳輸效率，減少系統(tǒng)等待時間，提高整體性能.中斷處理機制中斷的概念中斷是指在程序執(zhí)行過程中，由硬件或軟件事件所觸發(fā)的異常情況，迫使CPU暫停當前執(zhí)行的程序，轉而處理該中斷事件