《操作系統(tǒng)原理》課件

《操作系統(tǒng)原理》本課件將深入講解操作系統(tǒng)的基本原理，涵蓋進(jìn)程、內(nèi)存、文件、設(shè)備管理等核心概念，并探討操作系統(tǒng)的安全性和性能評價(jià)等重要議題，旨在幫助您全面理解操作系統(tǒng)的工作機(jī)制。操作系統(tǒng)概述定義操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的軟件系統(tǒng)，它為用戶提供一個(gè)友好的環(huán)境來使用計(jì)算機(jī)。功能操作系統(tǒng)的核心功能包括：管理進(jìn)程、內(nèi)存、文件、設(shè)備，提供用戶界面，并保障系統(tǒng)安全。操作系統(tǒng)的功能和目標(biāo)1管理系統(tǒng)資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，包括CPU、內(nèi)存、磁盤、輸入輸出設(shè)備等。2提供用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供各種接口，方便用戶使用計(jì)算機(jī)，例如圖形界面、命令行界面等。3保證系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)的安全，防止惡意程序和用戶錯(cuò)誤操作對系統(tǒng)造成破壞。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1批處理系統(tǒng)早期操作系統(tǒng)，通過批處理方式運(yùn)行程序，效率較低。2分時(shí)系統(tǒng)多個(gè)用戶共享系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)利用率。3實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)能快速響應(yīng)外界事件，常用于工業(yè)控制和軍事領(lǐng)域。4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持多個(gè)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，并提供共享資源的服務(wù)。5分布式操作系統(tǒng)將多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整合為一個(gè)整體，提供高性能和高可靠性。操作系統(tǒng)的分類單用戶操作系統(tǒng)只有一個(gè)用戶可以使用系統(tǒng)，例如早期的DOS系統(tǒng)。多用戶操作系統(tǒng)多個(gè)用戶可以同時(shí)使用系統(tǒng)，例如Unix、Linux。單任務(wù)操作系統(tǒng)同一時(shí)間只能運(yùn)行一個(gè)程序，例如早期的DOS系統(tǒng)。多任務(wù)操作系統(tǒng)同一時(shí)間可以運(yùn)行多個(gè)程序，例如Windows、MacOS。進(jìn)程的概念和特征定義進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位。獨(dú)立性每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間、數(shù)據(jù)和資源。動態(tài)性進(jìn)程是動態(tài)的，可以創(chuàng)建、銷毀和切換狀態(tài)。并發(fā)性多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)運(yùn)行，提高系統(tǒng)利用率。進(jìn)程的狀態(tài)及切換運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在執(zhí)行。就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備就緒，等待CPU分配。阻塞狀態(tài)進(jìn)程因等待某個(gè)事件而暫停。進(jìn)程調(diào)度算法1先來先服務(wù)按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。2最短作業(yè)優(yōu)先優(yōu)先調(diào)度執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程。3優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。4時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配固定時(shí)間片，輪流執(zhí)行。進(jìn)程同步與互斥1同步多個(gè)進(jìn)程按照某種特定順序進(jìn)行執(zhí)行。2互斥同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問共享資源。3臨界區(qū)訪問共享資源的代碼段，需要保證互斥訪問。4信號量用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步和互斥的機(jī)制。經(jīng)典的進(jìn)程同步問題1生產(chǎn)者-消費(fèi)者生產(chǎn)者進(jìn)程產(chǎn)生數(shù)據(jù)，消費(fèi)者進(jìn)程消費(fèi)數(shù)據(jù)。2讀者-寫者多個(gè)讀者進(jìn)程可以同時(shí)讀數(shù)據(jù)，但只有一個(gè)寫者進(jìn)程可以寫數(shù)據(jù)。3哲學(xué)家就餐五個(gè)哲學(xué)家輪流吃飯，需要兩根筷子才能吃飯。信號量機(jī)制定義信號量是一個(gè)整數(shù)變量，用于控制多個(gè)進(jìn)程對共享資源的訪問。操作信號量可以進(jìn)行P操作（wait）和V操作（signal），用于控制進(jìn)程的同步和互斥。死鎖的概念和原因定義死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)運(yùn)行。原因死鎖的產(chǎn)生主要由競爭資源和不合理的資源請求順序?qū)е?。死鎖的預(yù)防和避免1預(yù)防通過限制資源分配，防止死鎖的產(chǎn)生。2避免在資源分配過程中，動態(tài)地檢測死鎖，并采取措施避免死鎖。內(nèi)存管理的基本原理1單一連續(xù)分配將內(nèi)存劃分為一個(gè)連續(xù)的區(qū)域，分配給一個(gè)進(jìn)程。2分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)分配給一個(gè)進(jìn)程。3分頁分配將內(nèi)存和進(jìn)程地址空間都劃分為固定大小的頁面，實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。4段式分配將進(jìn)程地址空間劃分為邏輯段，每個(gè)段可以分配到內(nèi)存中的不同位置。連續(xù)分配和分頁分頁系統(tǒng)的硬件支持頁表存儲每個(gè)頁面的物理地址。地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。缺頁中斷當(dāng)訪問的頁面不在內(nèi)存時(shí)，會發(fā)生缺頁中斷，操作系統(tǒng)將頁面從磁盤加載到內(nèi)存。虛擬內(nèi)存技術(shù)概念虛擬內(nèi)存技術(shù)允許進(jìn)程使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。原理通過將一部分進(jìn)程數(shù)據(jù)保存在磁盤上，并在需要時(shí)加載到內(nèi)存中，實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存。頁面替換算法1FIFO先進(jìn)入內(nèi)存的頁面先被替換。2LRU最近最少使用頁面最先被替換。3OPT最佳頁面替換算法，但無法在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)。文件系統(tǒng)的概念定義文件系統(tǒng)是管理文件和目錄的一種組織方式，它提供了一種機(jī)制來存儲、檢索和管理信息。功能文件系統(tǒng)的主要功能包括：創(chuàng)建、刪除、修改、讀取文件，管理目錄結(jié)構(gòu)，以及提供安全機(jī)制。文件的基本屬性文件名用于標(biāo)識文件的名稱。文件類型文件的類型，例如文本文件、圖片文件等。文件大小文件的大小，以字節(jié)為單位。創(chuàng)建時(shí)間文件被創(chuàng)建的時(shí)間。修改時(shí)間文件最后被修改的時(shí)間。目錄結(jié)構(gòu)和操作1樹形結(jié)構(gòu)將文件組織成樹狀結(jié)構(gòu)，便于管理。2單級目錄所有的文件都在同一個(gè)目錄下。3多級目錄將目錄組織成多層結(jié)構(gòu)，方便用戶管理大量文件。4目錄操作包括創(chuàng)建、刪除、重命名、查找目錄等操作。設(shè)備管理的基本原理1設(shè)備控制管理各種類型的設(shè)備，并提供統(tǒng)一的訪問接口。2設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)槊總€(gè)設(shè)備提供具體的控制代碼。3I/O調(diào)度對多個(gè)設(shè)備的請求進(jìn)行調(diào)度，提高系統(tǒng)效率。4緩沖管理使用緩沖區(qū)來提高數(shù)據(jù)傳輸效率。設(shè)備的分類和驅(qū)動程序1輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。2輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音箱等。3存儲設(shè)備硬盤、軟盤、光盤等。4通信設(shè)備網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)I/O控制器控制設(shè)備的操作，并與CPU和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)槊總€(gè)設(shè)備提供具體的控制代碼。I/O管理模塊負(fù)責(zé)管理I/O操作，包括設(shè)備分配、數(shù)據(jù)傳輸和錯(cuò)誤處理。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)按照請求到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。最短尋道時(shí)間優(yōu)先優(yōu)先調(diào)度尋道距離最短的請求。掃描調(diào)度磁頭從磁盤的一端掃描到另一端，處理遇到的所有請求。循環(huán)掃描調(diào)度磁頭循環(huán)掃描磁盤，處理遇到的所有請求。操作系統(tǒng)安全性1訪問控制限制用戶對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限。2身份驗(yàn)證驗(yàn)證用戶的身份，防止非法用戶訪問系統(tǒng)。3數(shù)據(jù)加密對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)泄露。4入侵檢測監(jiān)測系統(tǒng)異常行為，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并阻止攻擊。操作系統(tǒng)的性能評價(jià)1吞吐量單位時(shí)間內(nèi)處理的任務(wù)數(shù)量。2響應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)對用戶請求的響應(yīng)時(shí)間。3資源利用率CPU、內(nèi)存、磁盤等資源的使用率。4可靠性系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)間比例。5安全性系統(tǒng)抵御攻擊的能力。操作系統(tǒng)的未來發(fā)展云計(jì)算將計(jì)算資源、數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)放到云端。物聯(lián)網(wǎng)將各種設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享和控制。