《操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐》課件

《操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐》課件操作系統(tǒng)概述用戶界面提供用戶與計(jì)算機(jī)交互的接口，包括圖形界面(GUI)和命令行界面(CLI).資源管理負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，包括CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和外設(shè).程序執(zhí)行加載和執(zhí)行應(yīng)用程序，并提供程序運(yùn)行所需的必要環(huán)境.操作系統(tǒng)的歷史發(fā)展1現(xiàn)代操作系統(tǒng)圖形界面，多任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)功能2批處理系統(tǒng)提高計(jì)算機(jī)利用率，降低人工操作3單道批處理系統(tǒng)一個(gè)程序占用所有資源4手工操作用戶直接操作機(jī)器操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)核內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，管理著系統(tǒng)資源并提供基本服務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用接口應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用接口訪問(wèn)內(nèi)核提供的服務(wù)。系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序擴(kuò)展了操作系統(tǒng)的功能，例如命令解釋器、編譯器和編輯器。用戶應(yīng)用程序用戶應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)的管理下運(yùn)行，并使用內(nèi)核提供的服務(wù)。進(jìn)程管理概念進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位，是正在執(zhí)行的程序的實(shí)例。每個(gè)進(jìn)程擁有自己的地址空間、數(shù)據(jù)和堆棧，以及CPU時(shí)間片。狀態(tài)進(jìn)程可以處于多種狀態(tài)，包括運(yùn)行、就緒、阻塞、創(chuàng)建和終止。操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)進(jìn)程的狀態(tài)，管理其資源和執(zhí)行。進(jìn)程控制塊(PCB)每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程控制塊(PCB)，包含了進(jìn)程的所有信息，例如進(jìn)程ID、狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、內(nèi)存地址等。線程管理線程概念輕量級(jí)進(jìn)程,共享地址空間和資源.多線程模型用戶級(jí)線程,內(nèi)核級(jí)線程,多對(duì)多模型.線程同步互斥鎖,條件變量,信號(hào)量.內(nèi)存管理1內(nèi)存分配為進(jìn)程分配內(nèi)存空間，以確保每個(gè)進(jìn)程擁有足夠的內(nèi)存來(lái)運(yùn)行。2內(nèi)存保護(hù)防止進(jìn)程訪問(wèn)其他進(jìn)程的內(nèi)存空間，確保系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。3內(nèi)存回收當(dāng)進(jìn)程不再需要內(nèi)存時(shí)，將其釋放回系統(tǒng)，以供其他進(jìn)程使用。文件管理文件組織文件系統(tǒng)以樹狀結(jié)構(gòu)組織文件，方便查找和管理。訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)提供權(quán)限控制機(jī)制，保護(hù)文件安全。數(shù)據(jù)備份定期備份文件，防止數(shù)據(jù)丟失。設(shè)備管理硬件資源管理設(shè)備管理負(fù)責(zé)控制和分配計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源，包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，負(fù)責(zé)與特定設(shè)備進(jìn)行交互。設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備管理提供設(shè)備獨(dú)立性，使應(yīng)用程序能夠以統(tǒng)一的方式訪問(wèn)不同的硬件設(shè)備。資源分配和調(diào)度設(shè)備管理負(fù)責(zé)分配和調(diào)度硬件資源，確保不同應(yīng)用程序之間的公平訪問(wèn)。輸入輸出管理輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等。存儲(chǔ)設(shè)備硬盤、光驅(qū)、U盤等。進(jìn)程調(diào)度算法先到先服務(wù)(FCFS)按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的等待時(shí)間，因?yàn)槎踢M(jìn)程會(huì)被長(zhǎng)進(jìn)程阻塞。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇預(yù)計(jì)執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度?？梢宰钚』骄却龝r(shí)間，但需要預(yù)知進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間，這在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)每個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行。易于實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程長(zhǎng)期占用CPU，導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程餓死。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，進(jìn)程可以執(zhí)行，時(shí)間片用完后，換下一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行?？梢詫?shí)現(xiàn)公平性和交互性，但需要較高的系統(tǒng)開(kāi)銷。內(nèi)存分配方式1連續(xù)分配每個(gè)進(jìn)程占用內(nèi)存中連續(xù)的地址空間，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但容易出現(xiàn)內(nèi)存碎片。2分頁(yè)分配將內(nèi)存劃分成固定大小的頁(yè)面，每個(gè)進(jìn)程可以分配多個(gè)頁(yè)面，可以有效解決內(nèi)存碎片問(wèn)題。3分段分配將進(jìn)程的地址空間劃分為多個(gè)邏輯段，每個(gè)段可以分配不同的內(nèi)存空間，方便用戶編程和數(shù)據(jù)管理。虛擬內(nèi)存技術(shù)擴(kuò)展內(nèi)存容量虛擬內(nèi)存允許操作系統(tǒng)使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，從而運(yùn)行更大的程序或處理更多數(shù)據(jù)。多道程序設(shè)計(jì)多個(gè)程序可以同時(shí)運(yùn)行，即使它們總共需要的內(nèi)存空間超過(guò)了物理內(nèi)存的容量。提高系統(tǒng)效率虛擬內(nèi)存通過(guò)將部分程序和數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在磁盤上，減少了內(nèi)存競(jìng)爭(zhēng)，提高了系統(tǒng)效率。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)將文件組織成樹形結(jié)構(gòu)，便于管理和查找目錄作為文件的容器，包含子目錄和文件文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位，包含文件名、大小、類型和權(quán)限等信息磁盤調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)(FCFS)按照請(qǐng)求到達(dá)的順序處理磁盤請(qǐng)求。最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)選擇距離當(dāng)前磁頭最近的請(qǐng)求。掃描(SCAN)磁頭從當(dāng)前位置開(kāi)始掃描整個(gè)磁盤，并按順序處理請(qǐng)求。循環(huán)掃描(C-SCAN)掃描完成后，磁頭從磁盤的另一端開(kāi)始再次掃描。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1硬件抽象層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件差異。2操作系統(tǒng)接口與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互，完成設(shè)備管理功能。3硬件控制直接控制設(shè)備的寄存器和硬件操作。并發(fā)控制機(jī)制互斥確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)臨界資源，防止數(shù)據(jù)不一致。同步協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行順序，確保它們按照預(yù)期順序訪問(wèn)共享資源。數(shù)據(jù)一致性保證共享數(shù)據(jù)的一致性和完整性，避免數(shù)據(jù)沖突和錯(cuò)誤。死鎖的處理死鎖檢測(cè)使用算法定期檢測(cè)系統(tǒng)是否存在死鎖，并采取相應(yīng)的措施。死鎖預(yù)防通過(guò)破壞死鎖產(chǎn)生的必要條件，例如資源分配順序、互斥、占有和等待、循環(huán)等待等，來(lái)預(yù)防死鎖。死鎖恢復(fù)當(dāng)死鎖發(fā)生時(shí)，采取措施解除死鎖，例如撤銷進(jìn)程、搶占資源、回滾操作等。分頁(yè)和分段技術(shù)將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁(yè)面將邏輯地址空間劃分為大小可變的段物理內(nèi)存也劃分為大小相等的頁(yè)框頁(yè)面置換算法1最佳置換算法(OPT)該算法選擇將來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換，能獲得最低的缺頁(yè)率。然而，它無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闊o(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)的訪問(wèn)模式。2先進(jìn)先出(FIFO)該算法選擇最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面進(jìn)行替換，簡(jiǎn)單易行，但可能導(dǎo)致頻繁替換經(jīng)常被訪問(wèn)的頁(yè)面，造成性能下降。3最近最少使用(LRU)該算法選擇最近最少使用的頁(yè)面進(jìn)行替換，通常能取得較好的性能，但需要維護(hù)一個(gè)頁(yè)面訪問(wèn)時(shí)間表。4時(shí)鐘算法(CLOCK)該算法是一種近似LRU的算法，通過(guò)設(shè)置一個(gè)循環(huán)指針和一個(gè)引用位來(lái)跟蹤頁(yè)面使用情況，實(shí)現(xiàn)高效的頁(yè)面置換。文件分配方式連續(xù)分配文件在磁盤上連續(xù)存放，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但易產(chǎn)生碎片問(wèn)題。鏈接分配文件存放位置不連續(xù)，使用指針鏈接文件塊，克服碎片問(wèn)題，但文件訪問(wèn)效率較低。索引分配每個(gè)文件建立索引塊，記錄文件塊在磁盤上的物理位置，提高文件訪問(wèn)效率，但索引塊占用空間較多。文件目錄結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)文件目錄通常采用樹形結(jié)構(gòu)，其中根目錄位于樹的頂端，其他目錄和文件作為分支展開(kāi)。路徑名每個(gè)文件和目錄都有一個(gè)唯一的路徑名，用于標(biāo)識(shí)其在目錄樹中的位置。目錄操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、重命名目錄以及在目錄中添加或刪除文件等操作。設(shè)備I/O控制方式程序控制方式CPU直接控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效率低，但簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。中斷驅(qū)動(dòng)方式設(shè)備完成操作后，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，提高CPU利用率。DMA方式直接內(nèi)存存取，無(wú)需CPU干預(yù)，高效，適用于高速設(shè)備。通道方式專門的硬件通道負(fù)責(zé)設(shè)備控制，CPU只負(fù)責(zé)總體控制，提高系統(tǒng)效率。緩沖區(qū)管理減少I/O次數(shù)緩沖區(qū)可以將數(shù)據(jù)集中到一起，一次性進(jìn)行I/O操作，減少I/O的次數(shù)，提高效率。提高CPU利用率CPU不必等待I/O操作完成，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，提高CPU的利用率。數(shù)據(jù)共享多個(gè)進(jìn)程可以共享同一個(gè)緩沖區(qū)，方便進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)時(shí)間敏感，必須在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)響應(yīng)事件。確定性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須提供可預(yù)測(cè)的性能，以確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行。可靠性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要高度的可靠性，以防止系統(tǒng)故障導(dǎo)致災(zāi)難性后果。嵌入式操作系統(tǒng)專用性針對(duì)特定硬件平臺(tái)和應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，例如汽車、手機(jī)、機(jī)器人。資源受限內(nèi)存、存儲(chǔ)空間、處理能力有限，需要精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。實(shí)時(shí)性對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，例如工業(yè)控制系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備。異常和中斷處理異常處理程序運(yùn)行期間出現(xiàn)的錯(cuò)誤，例如除以零、數(shù)組越界等。中斷處理由硬件或軟件事件引起的程序暫停，例如時(shí)鐘中斷、磁盤中斷等。系統(tǒng)調(diào)用用戶程序向操作系統(tǒng)請(qǐng)求服務(wù)的機(jī)制，例如文件操作、內(nèi)存分配等。系統(tǒng)安全機(jī)制訪問(wèn)控制限制對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)，例如文件、程序和硬件。這可以防止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問(wèn)敏感信息或更改系統(tǒng)配置。身份驗(yàn)證驗(yàn)證用戶的身份，確保只有授權(quán)用戶才能訪問(wèn)系統(tǒng)資源。常見(jiàn)的身份驗(yàn)證方法包括用戶名密碼、生物識(shí)別和多因素身份驗(yàn)證。數(shù)據(jù)加密將敏感數(shù)據(jù)加密以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。加密算法使用密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，只有擁有正確密鑰的人才能解密數(shù)據(jù)。安全審計(jì)跟蹤系統(tǒng)活動(dòng)以檢測(cè)潛在的安全威脅。審計(jì)日志記錄用戶操作、系統(tǒng)事件和錯(cuò)誤，以便在發(fā)生安全事件時(shí)進(jìn)行調(diào)查。操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)5指標(biāo)3方法1工具操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)是衡量操作系統(tǒng)效率和有效性的關(guān)鍵。通過(guò)性能指標(biāo)的測(cè)量和分析，我們可以優(yōu)化系統(tǒng)資源利用，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，提升用戶體驗(yàn)。未來(lái)操作系統(tǒng)趨勢(shì)1云原生云計(jì)算、容器化和微服務(wù)架構(gòu)的興起2人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)融入操作系統(tǒng)