《操作系統專升本新》課件

《操作系統專升本新》課件本課件將深入探討操作系統的核心概念和原理,幫助專升本考生全面掌握操作系統的基礎知識。內容涵蓋進程管理、內存管理、文件管理等關鍵模塊,并結合最新技術趨勢進行講解。課程目標和內容簡介1掌握操作系統基本概念全面了解操作系統的功能、結構和工作原理。2熟悉操作系統核心機制深入學習進程管理、內存管理、文件管理等關鍵模塊。3掌握常見操作系統體系結構比較微內核、單體、分層等不同系統架構的特點。4了解操作系統未來發(fā)展趨勢探討實時操作系統、嵌入式操作系統等前沿話題。操作系統概述操作系統是計算機系統的核心組件,它負責管理和控制計算機硬件和軟件資源,提供用戶和程序運行的基礎服務。操作系統的主要功能包括進程管理、內存管理、文件管理、設備管理和安全管理等?，F代操作系統種類豐富,從個人電腦到大型服務器,從嵌入式系統到云計算平臺,操作系統在不同領域發(fā)揮著關鍵作用。了解操作系統的基本原理和發(fā)展歷程,對于計算機專業(yè)學生來說非常重要。操作系統基本功能程序管理操作系統負責加載、執(zhí)行和管理應用程序,確保各程序能夠安全、有序地運行。內存管理操作系統負責分配和管理系統內存,確保不同進程能夠安全地訪問和使用內存資源。文件管理操作系統提供文件系統,管理文件的存儲、訪問和共享,確保數據安全和完整性。設備管理操作系統負責控制和管理各種輸入輸出設備,確保它們能夠與應用程序正常交互。進程管理1進程概念進程是操作系統中執(zhí)行程序的基本單位,擁有獨立的地址空間、資源和調度。進程是動態(tài)的,可以在不同狀態(tài)之間切換。2進程生命周期進程的生命周期包括創(chuàng)建、就緒、運行、阻塞和終止等狀態(tài)。操作系統負責對進程進行狀態(tài)管理和調度。3進程控制操作系統提供了一系列的系統調用,用于創(chuàng)建、撤銷、掛起、恢復和終止進程,以及管理進程的資源和狀態(tài)。進程的狀態(tài)轉換創(chuàng)建當一個新的進程被創(chuàng)建時,它首先處于就緒狀態(tài),等待被調度執(zhí)行。就緒進程具備執(zhí)行條件但暫時未被分配CPU,等待調度器選中并分配CPU資源。運行進程被分配CPU資源,開始執(zhí)行指令,直到因某種原因而讓出CPU。阻塞進程由于等待某些事件的發(fā)生而暫時停止執(zhí)行,直到事件發(fā)生才能繼續(xù)。終止進程完成了它的任務,自愿放棄CPU資源,進入終止狀態(tài)并從系統中消失。進程調度算法先進先出(FIFO)按照進程進入就緒隊列的先后順序依次分配CPU，最先進入的進程最先被調度執(zhí)行。簡單易實現，但不夠靈活。短進程優(yōu)先(SPF)優(yōu)先執(zhí)行預計運行時間最短的進程，可提高CPU利用率。但無法兼顧長進程，可能導致饑餓現象。時間片輪轉(RR)給每個進程分配一個時間片輪流調度執(zhí)行。公平性好,但對于I/O密集型進程可能產生較長等待時間。優(yōu)先級調度(Priority)根據進程的優(yōu)先級高低進行調度,優(yōu)先級越高的進程越容易得到CPU?？梢造`活設置優(yōu)先級。線程管理1創(chuàng)建新線程高效分配系統資源以支持多線程程序的執(zhí)行。2線程切換快速在不同線程間切換執(zhí)行,確保各線程公平獲取CPU時間。3線程同步協調多線程間的共享資源訪問,避免數據競爭和死鎖問題。4線程銷毀及時回收不再使用的線程資源,優(yōu)化系統性能。高效的線程管理是操作系統的重要功能。操作系統需要負責創(chuàng)建、切換、同步和銷毀線程,確保多線程程序能夠充分利用計算資源,避免資源沖突和死鎖等問題,提高系統的并發(fā)性能。線程同步機制信號量信號量是一種線程同步原語,允許線程按順序訪問共享資源,避免競爭沖突?；コ怄i互斥鎖確保同一時刻只有一個線程訪問共享資源,提高并發(fā)性能。條件變量條件變量允許線程在滿足特定條件時被喚醒,協調多線程間的數據交換。屏障屏障確保所有線程在特定點匯聚,確保并行任務的正確完成。內存管理1連續(xù)分配將內存劃分為固定大小的塊2分頁管理將內存劃分成固定大小的頁框3分段管理將內存劃分成可變大小的段4虛擬內存使用磁盤擴展內存容量操作系統需要管理計算機的內存資源,以有效地分配和利用內存。主要方式包括連續(xù)分配、分頁管理、分段管理以及虛擬內存技術。每種方式都有其優(yōu)缺點,需要根據具體情況選擇合適的內存管理策略。連續(xù)內存分配方式固定分區(qū)分配將內存劃分為固定大小的分區(qū)，每個進程被分配到一個分區(qū)。簡單高效，但可能會造成內存碎片?？勺兎謪^(qū)分配根據進程需求動態(tài)分配可變大小的內存分區(qū)。可以避免內存碎片，但需要復雜的分配算法?；锇橄到y分配將內存劃分為大小為2的冪次方的分區(qū)塊，并通過合并和分割實現動態(tài)分配。有效利用內存，但需要復雜的管理。頁式內存管理邏輯頁和物理頁頁式內存管理將內存劃分為固定大小的頁框。程序使用的邏輯地址被映射到物理頁框上。頁表和頁表項頁表用于存儲邏輯頁和物理頁之間的映射關系。每個進程都有自己的頁表。缺頁中斷和頁面置換當需要訪問的頁面不在內存時,會發(fā)生缺頁中斷。操作系統需要從磁盤加載頁面并進行頁面置換。頁面置換算法常見的頁面置換算法包括FIFO、LRU和時鐘算法等,根據不同情況選擇合適的算法。段式內存管理概念簡介段式內存管理是一種將內存劃分為若干個大小可變的離散分區(qū)的內存管理方式。每個分區(qū)稱為一個段。優(yōu)勢特點段式管理可以更好地利用內存空間,增加內存的使用效率。同時也可以提高程序的執(zhí)行效率和安全性。工作原理程序地址由段號和段內地址兩部分組成。通過段表來管理這些段,以實現程序地址到物理地址的轉換。應用場景段式管理通常用于大型程序的內存管理,如操作系統和數據庫等復雜應用程序。虛擬內存管理內存管理基礎虛擬內存是操作系統對物理內存的一種抽象和管理,可為進程分配連續(xù)的虛擬地址空間,從而增加可用內存容量。頁式虛擬內存將物理內存劃分為固定大小的頁框,進程使用的虛擬頁可動態(tài)映射到不同的頁框,實現內存擴充和共享。段頁式虛擬內存結合段式和頁式兩種方式,可以更靈活地管理內存,提高內存利用率和地址轉換效率。頁面置換算法1最佳置換算法(OPT)根據未來訪問情況選擇置換頁面，能實現最低缺頁率，但很難實現。2先進先出算法(FIFO)置換最早調入內存的頁面，簡單易實現但效率較低。3最近最少使用算法(LRU)置換最長時間未被訪問的頁面，能較好平衡缺頁率和實現復雜度。4時鐘算法改進的FIFO算法,通過使用訪問位進行置換,效率比FIFO提高。文件管理1文件系統結構操作系統通過文件系統組織和管理文件,包括文件的創(chuàng)建、存儲、訪問和保護等。常見的文件系統結構有FAT、NTFS和ext等。2文件讀寫操作用戶可以通過open、read、write和close等文件操作接口來讀寫文件內容。操作系統提供緩沖機制優(yōu)化文件訪問效率。3目錄管理操作系統使用目錄樹結構管理文件,并提供創(chuàng)建、刪除、重命名等目錄操作,用戶可以通過路徑訪問指定文件。文件系統結構層次目錄結構文件系統采用樹狀層次目錄結構組織文件和目錄，提供靈活的文件組織和管理方式。文件類型文件系統支持常見的文件類型，如普通文件、目錄文件、設備文件等，滿足不同用途。文件屬性文件系統為每個文件保存創(chuàng)建時間、修改時間、訪問權限等元數據，方便管理和查找。文件讀寫操作1打開文件通過指定文件名和訪問模式，啟動文件的讀寫操作。2讀取數據從文件中順序讀取數據，可以一次讀取一個字節(jié)或一次讀取一行。3寫入數據將數據寫入到文件中，并根據需要控制寫入位置。4關閉文件完成讀寫操作后，關閉文件以釋放系統資源。文件讀寫操作是操作系統最基本的功能之一。用戶可以通過指定文件名和訪問模式來打開文件，然后順序讀取或寫入數據。在完成讀寫操作后，需要及時關閉文件以釋放系統資源。掌握文件讀寫的基本流程和技巧對于日常的編程工作非常重要。設備管理設備驅動程序設備驅動程序是操作系統與硬件設備之間的橋梁,負責管理和控制各種設備的運行。即插即用現代操作系統支持即插即用功能,能夠自動檢測并配置新接入的硬件設備。設備抽象層操作系統提供設備抽象層,屏蔽了設備的具體細節(jié),讓應用程序可以以統一的接口訪問設備。設備管理服務操作系統提供設備管理服務,如分配和回收設備資源、處理設備中斷等。設備驅動程序驅動程序功能驅動程序是操作系統與硬件設備之間的接口,負責設備的初始化、控制和管理。它隔離了上層軟件和底層硬件的差異。驅動程序開發(fā)驅動程序的編寫需要深入理解硬件細節(jié)和操作系統原理。開發(fā)人員需要掌握系統調用、中斷處理等關鍵技術。驅動程序與內核驅動程序作為操作系統內核的一部分,與內核緊密協作。內核提供驅動程序所需的服務和接口,驅動程序則擴展了內核的功能。輸入輸出系統1設備接口規(guī)范輸入輸出系統定義了各種設備與計算機之間的標準接口,確保設備能順利連接和工作。2數據傳輸管理輸入輸出系統負責協調控制數據在計算機內部和設備之間的傳輸,確保數據準確無誤。3錯誤處理機制輸入輸出系統提供錯誤檢查和處理機制,以應對設備故障或數據傳輸異常等情況。4性能優(yōu)化輸入輸出系統通過并發(fā)控制、緩存管理等技術,提高整體的數據傳輸效率和響應速度。安全管理1訪問控制確保只有經授權的用戶能訪問系統資源2身份認證驗證用戶的身份合法性3加密技術保護數據信息的機密性和完整性4安全審計監(jiān)控系統活動并分析安全事件操作系統的安全管理是確保系統正常運行的關鍵。它包括訪問控制、身份認證、加密技術和安全審計等多個層面。通過這些機制，可以有效防范黑客攻擊、數據泄露等安全威脅，保護系統和數據的機密性、完整性和可用性。訪問控制機制身份識別通過用戶名、密碼等方式驗證用戶身份，確保訪問者的合法性。權限授權根據用戶角色和權限級別制定訪問控制規(guī)則，限制用戶的操作范圍。審計追蹤記錄用戶的訪問行為和操作日志，便于事后分析和責任認定。安全策略制定全面的安全策略,覆蓋用戶管理、訪問控制、審計等各個方面。加密與解密技術加密技術加密技術是用來確保數據在傳輸或存儲過程中的機密性和安全性。通過利用數學算法將原始數據轉換成無法被非授權人員讀取的形式。解密技術解密技術是將被加密的數據恢復到原始形式的過程。它利用特定的密鑰來還原被加密的數據,確保只有擁有密鑰的人才能訪問。常見加密算法比如DES、AES、RSA等,它們各有特點和適用場景,確保了不同級別的數據安全。密鑰管理密鑰的安全存儲和分發(fā)是加密技術的關鍵。采用公鑰基礎設施、密鑰管理系統等來管理密鑰至關重要。操作系統的體系結構1微內核結構將操作系統的關鍵功能分解到小型可獨立運行的模塊中,提高了系統的靈活性和可擴展性。2單體結構所有操作系統功能都集中在一個大型程序中,結構簡單但缺乏靈活性。3分層結構將操作系統劃分為不同層次,上層依賴下層提供的服務,層次清晰但開發(fā)復雜。微內核結構模塊化設計微內核結構將操作系統的核心功能劃分為相互獨立的模塊,提高了系統的靈活性和擴展性。最小化內核微內核只包含最基本的進程管理、內存管理和通信機制,其他功能都由外部服務進程提供。高度可擴展可以根據需求動態(tài)加載或卸載服務進程,無需重新編譯整個操作系統。通信機制重要微內核通過高效的進程間通信機制,實現各個服務進程之間的協作和信息交流。單體結構緊密集成單體結構將所有操作系統功能集成到一個單一的程序中,各模塊之間耦合緊密,方便整體開發(fā)和優(yōu)化。簡單高效單體結構由于模塊間關系簡單,運行效率高,適合小型和中型操作系統的設計。局限性單體結構無法支持動態(tài)擴展和模塊化升級,限制了操作系統功能的靈活性和可伸縮性。分層結構模塊化設計分層結構將操作系統組織為多個獨立的模塊,每個模塊負責特定的功能。這種設計提高了系統的可擴展性和靈活性。層級管理上層模塊依賴下層模塊提供的服務,下層模塊對上層隱藏了實現細節(jié)。這種分層管理提高了系統的可靠性和可維護性。層次明確分層結構中各層之間的職責和邊界非常明確,這有助于模塊化設計和獨立的開發(fā)與測試。操作系統的發(fā)展趨勢1實時操作系統滿足嚴格的時間要求2嵌入式操作系統應用于各種智能設備3云操作系統提供高可擴展性和彈性隨著技術的不斷發(fā)展,操作系統也呈現出多樣化的發(fā)展趨勢。實時操作系統能夠滿足嚴格的時間要求,應用于工業(yè)控制等領域;嵌入式操作系統則廣泛應用于智能手機、車載系統等各種智能設備;而云操作系統則致力于提供高可擴展性和彈性,適用于云計算環(huán)境。這些不同類型的操作系統正在滿足現代社會不同領域的需求。實時操作系統實時性實時操作系統必須在嚴格的時間內處理事件和完成任務，確保系統在確定的時間內做出響應?？煽啃詫崟r系統必須具有高度的可靠性和容錯能力，以確保系統始終保持正常運行。高效性實時操作系統需要高效的資源管理和調度算法，以最大程度地減少系統響應時間。安全性實時系統必須具有安全性設計,并能夠及時檢測和處理潛在的安全威脅。嵌入式操作系統廣泛應用嵌入式操作系統廣泛應用于各種智能設備,如手機、車載系統、工業(yè)控制器等,充分展現了其在小型系統中的優(yōu)勢。簡單高效嵌入式操作系統通常具有更簡單的結構和更高的實時性,能夠更好地適應嵌入式設備的資源受限特點。開源優(yōu)勢基于Linux內核的嵌入式Linux系統憑借其開源、可定制化等特點,廣受開發(fā)者青睞。云操作系統高可擴展性云操作系統能夠根據需求動態(tài)分配計算資源,快速擴展以支持大規(guī)模用戶和應用。高可用性通過多節(jié)點冗余部署,云操作系統可提供持續(xù)運行的服務,減少中斷和停機時間。即時更新云操作