操作系統(tǒng)原理與應用操作系統(tǒng)引論課件

操作系統(tǒng)原理與應用-操作系統(tǒng)引論課件目錄CONTENTS引言進程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設備管理系統(tǒng)調(diào)用與用戶界面安全與保護機制01CHAPTER引言03操作系統(tǒng)是一種抽象機器，它簡化了硬件細節(jié)，使得用戶可以使用高級語言編寫程序，并提供了易于使用的服務。01操作系統(tǒng)是一種計算機系統(tǒng)軟件，它是計算機系統(tǒng)的核心，負責管理和控制計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源。02操作系統(tǒng)是一種用戶界面，用戶可以通過它來使用計算機系統(tǒng)。什么是操作系統(tǒng)01在20世紀60年代，操作系統(tǒng)的功能開始擴展，包括文件系統(tǒng)、進程管理、內(nèi)存管理等。在20世紀70年代，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)可以同時處理多個任務，并且可以保證任務的及時性。在20世紀80年代，微機操作系統(tǒng)開始流行，這些操作系統(tǒng)可以在個人計算機上運行，并且提供了圖形用戶界面。操作系統(tǒng)的起源可以追溯到20世紀50年代，當時計算機系統(tǒng)主要用于科學計算和數(shù)據(jù)處理。020304操作系統(tǒng)的歷史與發(fā)展進程管理：進程是計算機中的程序關于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位。內(nèi)存管理：內(nèi)存管理負責分配和釋放內(nèi)存空間，并確保各個進程能夠安全地訪問它們所需的內(nèi)存空間。設備驅動程序：設備驅動程序負責與計算機硬件交互，并允許操作系統(tǒng)訪問硬件設備。文件系統(tǒng)：文件系統(tǒng)負責管理文件和目錄，并提供一個簡單的接口來訪問文件和目錄。操作系統(tǒng)的基本功能包括進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設備驅動程序等。操作系統(tǒng)的基本功能與組成02CHAPTER進程管理進程定義進程是計算機中的程序關于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位。進程特性進程具有獨立性、動態(tài)性、并發(fā)性和異步性等特性。進程的狀態(tài)進程在運行過程中會處于不同的狀態(tài)，如就緒狀態(tài)、等待狀態(tài)和運行狀態(tài)等。進程的概念與特性進程可以通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新的進程，實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。進程創(chuàng)建當進程完成或出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)會終止該進程。進程終止進程的創(chuàng)建與終止VS進程之間需要進行同步以確保正確地執(zhí)行任務，如使用信號量和條件變量等同步機制。進程通信進程之間需要進行通信以共享數(shù)據(jù)和信息，如使用消息隊列、管道等通信機制。進程同步進程的同步與通信03CHAPTER內(nèi)存管理123固定分區(qū)分配定義：將物理內(nèi)存分為固定大小的區(qū)域，每個區(qū)域分配給一個進程優(yōu)點：簡單易行，適用于小規(guī)模系統(tǒng)內(nèi)存的分配與回收缺點：分區(qū)數(shù)量有限，且易造成內(nèi)存浪費動態(tài)分區(qū)分配定義：在進程運行時，根據(jù)進程需要動態(tài)地分配和回收內(nèi)存空間內(nèi)存的分配與回收優(yōu)點可避免內(nèi)存浪費，能滿足大規(guī)模系統(tǒng)的需求缺點實現(xiàn)復雜，需要額外的空間管理開銷內(nèi)存的分配與回收內(nèi)存的分配與回收01頁式管理02定義：將內(nèi)存分為固定大小的頁，每個頁對應一個物理內(nèi)存地址03優(yōu)點：可實現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)分配和回收，能滿足大規(guī)模系統(tǒng)的需求缺點：需要額外的空間管理開銷，且頁式管理對程序的地址空間有一定限制內(nèi)存的分配與回收01段式管理02定義：將內(nèi)存分為固定大小的段，每個段對應一個邏輯地址空間03優(yōu)點：可實現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)分配和回收，能滿足大規(guī)模系統(tǒng)的需求04缺點：需要額外的空間管理開銷，且段式管理對程序的地址空間有一定限制內(nèi)存的分配與回收虛擬內(nèi)存的概念優(yōu)點：可擴大程序的地址空間，提高內(nèi)存利用率，減少內(nèi)存碎片定義：將內(nèi)存分為多個區(qū)域，每個區(qū)域都有自己的地址空間，稱為虛擬地址空間虛擬內(nèi)存的概念與實現(xiàn)缺點：需要額外的空間管理開銷，且可能導致頁交換和頁缺失等問題虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)方式請求分頁：當程序需要訪問的頁面不在內(nèi)存中時，產(chǎn)生缺頁中斷，將所需頁面加載到內(nèi)存中010203虛擬內(nèi)存的概念與實現(xiàn)根據(jù)程序運行的規(guī)律，提前將可能使用的頁面加載到內(nèi)存中，以減少缺頁中斷的次數(shù)當內(nèi)存已滿時，將一些暫時不用的頁面替換出去，以騰出空間加載新的頁面預取頁面置換頁面虛擬內(nèi)存的概念與實現(xiàn)內(nèi)存保護的概念定義：每個進程都有自己的虛擬地址空間，且不允許其他進程訪問或修改自己的虛擬地址空間優(yōu)點：保護每個進程的代碼和數(shù)據(jù)不受干擾和破壞，確保程序的正確性和安全性內(nèi)存保護與共享內(nèi)存共享的概念定義：多個進程可以共享相同的物理內(nèi)存頁或段，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通信缺點：可能導致進程之間的通信和共享變得復雜和困難內(nèi)存保護與共享優(yōu)點減少重復內(nèi)存的開銷，方便進程之間的數(shù)據(jù)共享和通信要點一要點二缺點可能導致數(shù)據(jù)不一致性和安全性問題，需要采取額外的保護措施內(nèi)存保護與共享04CHAPTER文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)定義文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中用于管理數(shù)據(jù)存儲、檢索和管理的軟件工具。它提供了統(tǒng)一的接口，使得用戶可以方便地創(chuàng)建、讀取、寫入、刪除文件和目錄。文件系統(tǒng)結構文件系統(tǒng)通常采用樹狀結構，由根目錄（rootdirectory）開始，下面可以包含子目錄和文件。每個文件和目錄都有一個唯一的名稱，以便于查找和管理。文件屬性每個文件和目錄通常都包含一些屬性，例如文件名、文件大小、創(chuàng)建時間、修改時間等。這些屬性提供了關于文件和目錄的重要信息。010203文件系統(tǒng)的基本概念與結構在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建新文件需要使用特定的系統(tǒng)調(diào)用。通常，創(chuàng)建一個新文件需要提供文件名和打開文件的模式（例如，只讀、只寫或讀寫）。如果文件已經(jīng)存在，打開文件的請求將失敗。要讀取或寫入文件，需要使用特定的系統(tǒng)調(diào)用。例如，read()和write()系統(tǒng)調(diào)用分別用于從文件中讀取數(shù)據(jù)和向文件中寫入數(shù)據(jù)。在讀取或寫入數(shù)據(jù)時，還需要指定要讀取或寫入的字節(jié)數(shù)。刪除文件需要使用特定的系統(tǒng)調(diào)用，例如unlink()系統(tǒng)調(diào)用。刪除文件后，該文件將從文件系統(tǒng)中消失，并且無法再訪問該文件。請注意，刪除文件并不意味著立即刪除文件的內(nèi)容，而是刪除文件的元數(shù)據(jù)（例如，文件名和屬性），以便操作系統(tǒng)可以釋放該文件占用的資源。文件創(chuàng)建文件讀寫文件刪除文件的創(chuàng)建、讀寫與刪除文件系統(tǒng)安全為了保護文件免受未經(jīng)授權的訪問和修改，文件系統(tǒng)提供了訪問控制機制，例如權限設置。通過為每個用戶分配不同的訪問權限，可以確保只有經(jīng)過授權的用戶才能訪問特定的文件和目錄。文件系統(tǒng)優(yōu)化為了提高文件系統(tǒng)的性能和效率，可以采用一些優(yōu)化技術，例如索引、緩存、壓縮等。索引可以加快文件的查找速度；緩存可以減少對磁盤的訪問次數(shù)；壓縮可以減小文件的大小，從而節(jié)省存儲空間。文件系統(tǒng)的安全與優(yōu)化05CHAPTER設備管理設備驅動程序的概念設備驅動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，它負責與特定類型的物理設備進行交互。它為上層應用程序提供了一種便捷的方式來與設備進行通信，隱藏了設備操作的細節(jié)。設備驅動程序的作用設備驅動程序的主要作用是管理物理設備，包括設備的初始化、配置、控制和監(jiān)控。它還負責處理設備的中斷請求，將中斷請求傳遞給相應的處理程序，確保設備的正確操作和數(shù)據(jù)的可靠傳輸。設備驅動程序的概念與作用根據(jù)設備的性質(zhì)和功能，可以將設備分為多種類型，如輸入輸出設備、存儲設備和處理器等。這些設備還可以進一步細分為更多的類別，例如硬盤驅動器、光盤驅動器、打印機、顯示器等。設備的分類為了對設備進行管理和操作，每個設備都需要有一個唯一的標識符。在大多數(shù)操作系統(tǒng)中，這些標識符是設備文件名，它們被存儲在設備目錄中。通過使用這些標識符，操作系統(tǒng)可以識別和管理各種設備。設備的標識設備的分類與標識I/O操作的實現(xiàn)I/O操作是指數(shù)據(jù)的輸入和輸出操作，例如從鍵盤讀取輸入或將數(shù)據(jù)寫入到打印機。操作系統(tǒng)通過使用一系列的I/O指令來執(zhí)行這些操作，這些指令被發(fā)送到設備驅動程序，然后由設備驅動程序控制設備的操作。I/O控制為了確保I/O操作的正確性和可靠性，操作系統(tǒng)需要實施一些控制機制。這些機制包括緩沖、共享、輪詢和異步I/O等。緩沖可以減少I/O操作之間的等待時間，共享允許多個進程使用相同的設備，輪詢可以檢測設備的狀態(tài)并處理等待時間，異步I/O允許設備在后臺進行操作而不會阻塞主程序。I/O操作的實現(xiàn)與控制06CHAPTER系統(tǒng)調(diào)用與用戶界面系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給應用程序的接口，使得應用程序能夠與內(nèi)核進行交互，實現(xiàn)特定的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用的概念系統(tǒng)調(diào)用可以分為多種類型，如文件操作類、進程控制類、網(wǎng)絡通信類等，每種類型對應不同的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)調(diào)用的分類系統(tǒng)調(diào)用的概念與分類VS應用程序通過系統(tǒng)調(diào)用的注冊機制向內(nèi)核注冊所需的功能，并傳遞相關的參數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)度機制當應用程序發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核會根據(jù)調(diào)度算法選擇相應的進程或線程執(zhí)行該系統(tǒng)調(diào)用，并完成相應的操作。系統(tǒng)調(diào)用的注冊機制系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)機制用戶界面的設計原則用戶界面應該簡單明了、易于使用、符合用戶習慣，同時應該提供豐富的系統(tǒng)信息和操作選項，以滿足用戶的需求。用戶界面的實現(xiàn)技術用戶界面可以通過多種技術實現(xiàn)，如命令行界面、圖形界面等，每種技術都有其優(yōu)缺點和適用場景。用戶界面的設計與實現(xiàn)07CHAPTER安全與保護機制操作系統(tǒng)面臨的惡意軟件威脅，如病毒、蠕蟲、特洛伊木馬等，需要采取有效的防護措施，如反病毒軟件、防火墻等。惡意軟件拒絕服務攻擊是一種使計算機系統(tǒng)無法正常運行的技術，需要采取防范措施，如限制網(wǎng)絡流量、檢測和刪除惡意進程等。拒絕服務攻擊緩沖區(qū)溢出是一種常見的安全威脅，攻擊者可以通過溢出操作系統(tǒng)的緩沖區(qū)來獲取控制權，需要采取防范措施，如使用安全的編程語言、限制輸入長度等。緩沖區(qū)溢出操作系統(tǒng)的安全威脅與防護身份認證是操作系統(tǒng)對用戶進行身份驗證的過程，以確保用戶具有足夠的權限來訪問系統(tǒng)資源。常見的身份認證方式包括用戶名和密碼、智能卡、生物識別技術等。訪問控制是操作系統(tǒng)對用戶訪問系統(tǒng)資源的權限進行控制的過程。常見的訪問控制策略包括基于角色的訪問控制、基于屬性的訪問控制