《操作系統(tǒng)專升本新》課件

《操作系統(tǒng)專升本新》課件本課件將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念和原理,幫助專升本考生全面掌握操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識。內(nèi)容涵蓋進程管理、內(nèi)存管理、文件管理等關(guān)鍵模塊,并結(jié)合最新技術(shù)趨勢進行講解。課程目標(biāo)和內(nèi)容簡介1掌握操作系統(tǒng)基本概念全面了解操作系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和工作原理。2熟悉操作系統(tǒng)核心機制深入學(xué)習(xí)進程管理、內(nèi)存管理、文件管理等關(guān)鍵模塊。3掌握常見操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)比較微內(nèi)核、單體、分層等不同系統(tǒng)架構(gòu)的特點。4了解操作系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢探討實時操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)等前沿話題。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心組件,它負(fù)責(zé)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(chǔ)服務(wù)。操作系統(tǒng)的主要功能包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理和安全管理等?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)種類豐富,從個人電腦到大型服務(wù)器,從嵌入式系統(tǒng)到云計算平臺,操作系統(tǒng)在不同領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。了解操作系統(tǒng)的基本原理和發(fā)展歷程,對于計算機專業(yè)學(xué)生來說非常重要。操作系統(tǒng)基本功能程序管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載、執(zhí)行和管理應(yīng)用程序,確保各程序能夠安全、有序地運行。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和管理系統(tǒng)內(nèi)存,確保不同進程能夠安全地訪問和使用內(nèi)存資源。文件管理操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng),管理文件的存儲、訪問和共享,確保數(shù)據(jù)安全和完整性。設(shè)備管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制和管理各種輸入輸出設(shè)備,確保它們能夠與應(yīng)用程序正常交互。進程管理1進程概念進程是操作系統(tǒng)中執(zhí)行程序的基本單位,擁有獨立的地址空間、資源和調(diào)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(tǒng)負(fù)責(zé)對進程進行狀態(tài)管理和調(diào)度。3進程控制操作系統(tǒng)提供了一系列的系統(tǒng)調(diào)用,用于創(chuàng)建、撤銷、掛起、恢復(fù)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(zhuǎn)換創(chuàng)建當(dāng)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(diào)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(diào)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(wù),自愿放棄CPU資源,進入終止?fàn)顟B(tài)并從系統(tǒng)中消失。進程調(diào)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(diào)度執(zhí)行。簡單易實現(xiàn)，但不夠靈活。短進程優(yōu)先(SPF)優(yōu)先執(zhí)行預(yù)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(dǎo)致饑餓現(xiàn)象。時間片輪轉(zhuǎn)(RR)給每個進程分配一個時間片輪流調(diào)度執(zhí)行。公平性好,但對于I/O密集型進程可能產(chǎn)生較長等待時間。優(yōu)先級調(diào)度(Priority)根據(jù)進程的優(yōu)先級高低進行調(diào)度,優(yōu)先級越高的進程越容易得到CPU?？梢造`活設(shè)置優(yōu)先級。線程管理1創(chuàng)建新線程高效分配系統(tǒng)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(xié)調(diào)多線程間的共享資源訪問,避免數(shù)據(jù)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(tǒng)性能。高效的線程管理是操作系統(tǒng)的重要功能。操作系統(tǒng)需要負(fù)責(zé)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(tǒng)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。互斥鎖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(xié)調(diào)多線程間的數(shù)據(jù)交換。屏障屏障確保所有線程在特定點匯聚,確保并行任務(wù)的正確完成。內(nèi)存管理1連續(xù)分配將內(nèi)存劃分為固定大小的塊2分頁管理將內(nèi)存劃分成固定大小的頁框3分段管理將內(nèi)存劃分成可變大小的段4虛擬內(nèi)存使用磁盤擴展內(nèi)存容量操作系統(tǒng)需要管理計算機的內(nèi)存資源,以有效地分配和利用內(nèi)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(nèi)存技術(shù)。每種方式都有其優(yōu)缺點,需要根據(jù)具體情況選擇合適的內(nèi)存管理策略。連續(xù)內(nèi)存分配方式固定分區(qū)分配將內(nèi)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(nèi)存碎片?？勺兎謪^(qū)分配根據(jù)進程需求動態(tài)分配可變大小的內(nèi)存分區(qū)。可以避免內(nèi)存碎片，但需要復(fù)雜的分配算法?；锇橄到y(tǒng)分配將內(nèi)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(xiàn)動態(tài)分配。有效利用內(nèi)存，但需要復(fù)雜的管理。頁式內(nèi)存管理邏輯頁和物理頁頁式內(nèi)存管理將內(nèi)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(guān)系。每個進程都有自己的頁表。缺頁中斷和頁面置換當(dāng)需要訪問的頁面不在內(nèi)存時,會發(fā)生缺頁中斷。操作系統(tǒng)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(jù)不同情況選擇合適的算法。段式內(nèi)存管理概念簡介段式內(nèi)存管理是一種將內(nèi)存劃分為若干個大小可變的離散分區(qū)的內(nèi)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(nèi)存空間,增加內(nèi)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(nèi)地址兩部分組成。通過段表來管理這些段,以實現(xiàn)程序地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用場景段式管理通常用于大型程序的內(nèi)存管理,如操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等復(fù)雜應(yīng)用程序。虛擬內(nèi)存管理內(nèi)存管理基礎(chǔ)虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)對物理內(nèi)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(nèi)存容量。頁式虛擬內(nèi)存將物理內(nèi)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(xiàn)內(nèi)存擴充和共享。段頁式虛擬內(nèi)存結(jié)合段式和頁式兩種方式,可以更靈活地管理內(nèi)存,提高內(nèi)存利用率和地址轉(zhuǎn)換效率。頁面置換算法1最佳置換算法(OPT)根據(jù)未來訪問情況選擇置換頁面，能實現(xiàn)最低缺頁率，但很難實現(xiàn)。2先進先出算法(FIFO)置換最早調(diào)入內(nèi)存的頁面，簡單易實現(xiàn)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(xiàn)復(fù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)通過文件系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)容。操作系統(tǒng)提供緩沖機制優(yōu)化文件訪問效率。3目錄管理操作系統(tǒng)使用目錄樹結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)層次目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用樹狀層次目錄結(jié)構(gòu)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(tǒng)支持常見的文件類型，如普通文件、目錄文件、設(shè)備文件等，滿足不同用途。文件屬性文件系統(tǒng)為每個文件保存創(chuàng)建時間、修改時間、訪問權(quán)限等元數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)從文件中順序讀取數(shù)據(jù)，可以一次讀取一個字節(jié)或一次讀取一行。3寫入數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)寫入到文件中，并根據(jù)需要控制寫入位置。4關(guān)閉文件完成讀寫操作后，關(guān)閉文件以釋放系統(tǒng)資源。文件讀寫操作是操作系統(tǒng)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?qū)懭霐?shù)據(jù)。在完成讀寫操作后，需要及時關(guān)閉文件以釋放系統(tǒng)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(shè)備管理設(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)備之間的橋梁,負(fù)責(zé)管理和控制各種設(shè)備的運行。即插即用現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持即插即用功能,能夠自動檢測并配置新接入的硬件設(shè)備。設(shè)備抽象層操作系統(tǒng)提供設(shè)備抽象層,屏蔽了設(shè)備的具體細(xì)節(jié),讓應(yīng)用程序可以以統(tǒng)一的接口訪問設(shè)備。設(shè)備管理服務(wù)操作系統(tǒng)提供設(shè)備管理服務(wù),如分配和回收設(shè)備資源、處理設(shè)備中斷等。設(shè)備驅(qū)動程序驅(qū)動程序功能驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的接口,負(fù)責(zé)設(shè)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(qū)動程序開發(fā)驅(qū)動程序的編寫需要深入理解硬件細(xì)節(jié)和操作系統(tǒng)原理。開發(fā)人員需要掌握系統(tǒng)調(diào)用、中斷處理等關(guān)鍵技術(shù)。驅(qū)動程序與內(nèi)核驅(qū)動程序作為操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分,與內(nèi)核緊密協(xié)作。內(nèi)核提供驅(qū)動程序所需的服務(wù)和接口,驅(qū)動程序則擴展了內(nèi)核的功能。輸入輸出系統(tǒng)1設(shè)備接口規(guī)范輸入輸出系統(tǒng)定義了各種設(shè)備與計算機之間的標(biāo)準(zhǔn)接口,確保設(shè)備能順利連接和工作。2數(shù)據(jù)傳輸管理輸入輸出系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部和設(shè)備之間的傳輸,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。3錯誤處理機制輸入輸出系統(tǒng)提供錯誤檢查和處理機制,以應(yīng)對設(shè)備故障或數(shù)據(jù)傳輸異常等情況。4性能優(yōu)化輸入輸出系統(tǒng)通過并發(fā)控制、緩存管理等技術(shù),提高整體的數(shù)據(jù)傳輸效率和響應(yīng)速度。安全管理1訪問控制確保只有經(jīng)授權(quán)的用戶能訪問系統(tǒng)資源2身份認(rèn)證驗證用戶的身份合法性3加密技術(shù)保護數(shù)據(jù)信息的機密性和完整性4安全審計監(jiān)控系統(tǒng)活動并分析安全事件操作系統(tǒng)的安全管理是確保系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。它包括訪問控制、身份認(rèn)證、加密技術(shù)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(shù)據(jù)泄露等安全威脅，保護系統(tǒng)和數(shù)據(jù)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(quán)限授權(quán)根據(jù)用戶角色和權(quán)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(zé)任認(rèn)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(shù)加密技術(shù)加密技術(shù)是用來確保數(shù)據(jù)在傳輸或存儲過程中的機密性和安全性。通過利用數(shù)學(xué)算法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無法被非授權(quán)人員讀取的形式。解密技術(shù)解密技術(shù)是將被加密的數(shù)據(jù)恢復(fù)到原始形式的過程。它利用特定的密鑰來還原被加密的數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)安全。密鑰管理密鑰的安全存儲和分發(fā)是加密技術(shù)的關(guān)鍵。采用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施、密鑰管理系統(tǒng)等來管理密鑰至關(guān)重要。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)的關(guān)鍵功能分解到小型可獨立運行的模塊中,提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。2單體結(jié)構(gòu)所有操作系統(tǒng)功能都集中在一個大型程序中,結(jié)構(gòu)簡單但缺乏靈活性。3分層結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分為不同層次,上層依賴下層提供的服務(wù),層次清晰但開發(fā)復(fù)雜。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)的核心功能劃分為相互獨立的模塊,提高了系統(tǒng)的靈活性和擴展性。最小化內(nèi)核微內(nèi)核只包含最基本的進程管理、內(nèi)存管理和通信機制,其他功能都由外部服務(wù)進程提供。高度可擴展可以根據(jù)需求動態(tài)加載或卸載服務(wù)進程,無需重新編譯整個操作系統(tǒng)。通信機制重要微內(nèi)核通過高效的進程間通信機制,實現(xiàn)各個服務(wù)進程之間的協(xié)作和信息交流。單體結(jié)構(gòu)緊密集成單體結(jié)構(gòu)將所有操作系統(tǒng)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(jié)構(gòu)由于模塊間關(guān)系簡單,運行效率高,適合小型和中型操作系統(tǒng)的設(shè)計。局限性單體結(jié)構(gòu)無法支持動態(tài)擴展和模塊化升級,限制了操作系統(tǒng)功能的靈活性和可伸縮性。分層結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計分層結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)組織為多個獨立的模塊,每個模塊負(fù)責(zé)特定的功能。這種設(shè)計提高了系統(tǒng)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(wù),下層模塊對上層隱藏了實現(xiàn)細(xì)節(jié)。這種分層管理提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。層次明確分層結(jié)構(gòu)中各層之間的職責(zé)和邊界非常明確,這有助于模塊化設(shè)計和獨立的開發(fā)與測試。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1實時操作系統(tǒng)滿足嚴(yán)格的時間要求2嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用于各種智能設(shè)備3云操作系統(tǒng)提供高可擴展性和彈性隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,操作系統(tǒng)也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。實時操作系統(tǒng)能夠滿足嚴(yán)格的時間要求,應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域;嵌入式操作系統(tǒng)則廣泛應(yīng)用于智能手機、車載系統(tǒng)等各種智能設(shè)備;而云操作系統(tǒng)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(tǒng)正在滿足現(xiàn)代社會不同領(lǐng)域的需求。實時操作系統(tǒng)實時性實時操作系統(tǒng)必須在嚴(yán)格的時間內(nèi)處理事件和完成任務(wù)，確保系統(tǒng)在確定的時間內(nèi)做出響應(yīng)?？煽啃詫崟r系統(tǒng)必須具有高度的可靠性和容錯能力，以確保系統(tǒng)始終保持正常運行。高效性實時操作系統(tǒng)需要高效的資源管理和調(diào)度算法，以最大程度地減少系統(tǒng)響應(yīng)時間。安全性實時系統(tǒng)必須具有安全性設(shè)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(tǒng)廣泛應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備,如手機、車載系統(tǒng)、工業(yè)控制器等,充分展現(xiàn)了其在小型系統(tǒng)中的優(yōu)勢。簡單高效嵌入式操作系統(tǒng)通常具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更高的實時性,能夠更好地適應(yīng)嵌入式設(shè)備的資源受限特點。開源優(yōu)勢基于Linux內(nèi)核的嵌入式Linux系統(tǒng)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(tǒng)高可擴展性云操作系統(tǒng)能夠根據(jù)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(yīng)用。高可用性通過多節(jié)點冗余部署,云操作系統(tǒng)可提供持續(xù)運行的服務(wù),減少中斷和停機時間。即時更新云操作