(2024年)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第五版課件

操作系統(tǒng)基礎(chǔ)第五版課件12024/3/26CATALOGUE目錄操作系統(tǒng)概述進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理操作系統(tǒng)安全22024/3/2601操作系統(tǒng)概述32024/3/26操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源、合理組織計(jì)算機(jī)工作流程以及方便用戶使用的程序的集合。定義提供計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的接口；管理計(jì)算機(jī)資源；提供用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口。功能操作系統(tǒng)的定義與功能42024/3/26早期操作系統(tǒng)手工操作、批處理系統(tǒng)。現(xiàn)代操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等。發(fā)展趨勢(shì)微內(nèi)核、面向?qū)ο?、分布式、智能化等。操作系統(tǒng)的歷史與發(fā)展52024/3/26操作系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等。分類并發(fā)性、共享性、虛擬性、異步性等。其中，并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生；共享性是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用；虛擬性是指通過(guò)某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物；異步性是指進(jìn)程以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。特點(diǎn)62024/3/2602進(jìn)程管理72024/3/26進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，它是程序的執(zhí)行過(guò)程，具有動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性和結(jié)構(gòu)性等基本特征。進(jìn)程的定義進(jìn)程在其生命周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷多種狀態(tài)，如創(chuàng)建狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)等。這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的執(zhí)行情況和資源需求進(jìn)行管理。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程的概念與狀態(tài)82024/3/26進(jìn)程控制塊（ProcessControlBlock，PCB）是操作系統(tǒng)中用于描述進(jìn)程狀態(tài)和特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。PCB的定義PCB通常包含進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、處理機(jī)狀態(tài)、進(jìn)程調(diào)度信息和進(jìn)程控制信息等內(nèi)容。其中，進(jìn)程標(biāo)識(shí)符用于唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程；處理機(jī)狀態(tài)記錄了進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的寄存器信息；進(jìn)程調(diào)度信息包括進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、調(diào)度隊(duì)列指針等；進(jìn)程控制信息則包括程序和數(shù)據(jù)的地址空間、資源清單以及鏈接指針等。PCB的內(nèi)容進(jìn)程控制塊PCB92024/3/26進(jìn)程調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)（FCFS）算法：按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的進(jìn)程先得到服務(wù)。這種算法簡(jiǎn)單易懂，但可能導(dǎo)致長(zhǎng)作業(yè)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）算法：根據(jù)進(jìn)程的估計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)度，選擇估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。這種算法有利于提高系統(tǒng)吞吐量，但對(duì)長(zhǎng)作業(yè)不利。優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先得到服務(wù)。這種算法可以靈活調(diào)整進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)以滿足不同需求，但需要合理設(shè)置優(yōu)先級(jí)以避免饑餓現(xiàn)象。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）算法：將CPU時(shí)間劃分為固定大小的時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程輪流執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。當(dāng)時(shí)間片用完后，進(jìn)程被放到就緒隊(duì)列的末尾等待下一次調(diào)度。這種算法兼顧了短作業(yè)和長(zhǎng)作業(yè)的需求，且響應(yīng)時(shí)間較為均勻。102024/3/26進(jìn)程同步多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中需要協(xié)調(diào)其推進(jìn)速度以共享資源或相互合作，這種協(xié)調(diào)稱為進(jìn)程同步。常見(jiàn)的同步機(jī)制包括信號(hào)量、管程和消息傳遞等。進(jìn)程通信進(jìn)程間通過(guò)某種手段交換信息的過(guò)程稱為進(jìn)程通信。常見(jiàn)的通信方式包括共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、管道和套接字等。這些通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。進(jìn)程同步與通信112024/3/2603內(nèi)存管理122024/3/26動(dòng)態(tài)分配程序在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)或釋放內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)提供相應(yīng)的內(nèi)存分配和回收機(jī)制。靜態(tài)分配程序在編譯或鏈接時(shí)確定內(nèi)存需求，操作系統(tǒng)在程序裝入內(nèi)存時(shí)一次性分配所需內(nèi)存空間，程序運(yùn)行期間不再改變。內(nèi)存碎片由于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和回收可能導(dǎo)致內(nèi)存中出現(xiàn)一些不連續(xù)的小塊空閑內(nèi)存，稱為內(nèi)存碎片。操作系統(tǒng)需要采取相應(yīng)措施來(lái)減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。內(nèi)存的分配與回收132024/3/26界限寄存器操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程設(shè)置一對(duì)界限寄存器，分別存儲(chǔ)該進(jìn)程在內(nèi)存中的起始地址和結(jié)束地址。硬件在每次內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)檢查訪問(wèn)地址是否越界，若越界則觸發(fā)中斷，保護(hù)內(nèi)存安全。段式保護(hù)將程序的邏輯地址空間劃分為多個(gè)段，每個(gè)段有自己的基址和長(zhǎng)度。硬件在每次內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)檢查訪問(wèn)地址是否在當(dāng)前段的范圍內(nèi)，若不在則觸發(fā)中斷。頁(yè)式保護(hù)將程序的邏輯地址空間和物理內(nèi)存空間都劃分為大小相等的頁(yè)面。操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程建立頁(yè)表，記錄邏輯頁(yè)面對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)面。硬件在每次內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)通過(guò)頁(yè)表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，并檢查訪問(wèn)權(quán)限。內(nèi)存保護(hù)技術(shù)142024/3/26請(qǐng)求分頁(yè)01將程序的邏輯地址空間劃分為大小相等的頁(yè)面，當(dāng)程序需要訪問(wèn)某個(gè)頁(yè)面時(shí)，若該頁(yè)面不在內(nèi)存中，則向操作系統(tǒng)發(fā)出缺頁(yè)中斷，操作系統(tǒng)將所需頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存。請(qǐng)求分段02將程序的邏輯地址空間劃分為多個(gè)段，每個(gè)段有自己的基址和長(zhǎng)度。當(dāng)程序需要訪問(wèn)某個(gè)段時(shí)，若該段不在內(nèi)存中，則向操作系統(tǒng)發(fā)出缺段中斷，操作系統(tǒng)將所需段調(diào)入內(nèi)存。頁(yè)面置換算法03當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，操作系統(tǒng)需要選擇某個(gè)頁(yè)面進(jìn)行置換。常見(jiàn)的頁(yè)面置換算法有先進(jìn)先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）、最不經(jīng)常使用（LFU）等。虛擬內(nèi)存技術(shù)152024/3/26頁(yè)面置換算法選擇最近一段時(shí)間內(nèi)被訪問(wèn)次數(shù)最少的頁(yè)面進(jìn)行置換。該算法考慮了頁(yè)面的訪問(wèn)頻率信息，但需要定期更新頁(yè)面的訪問(wèn)計(jì)數(shù)信息。最不經(jīng)常使用（LFU）算法選擇最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面進(jìn)行置換。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但可能導(dǎo)致較高的頁(yè)面缺失率。先進(jìn)先出（FIFO）算法選擇最近最長(zhǎng)時(shí)間未被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行置換。該算法能夠較好地反映程序的局部性原理，但需要維護(hù)頁(yè)面的訪問(wèn)歷史信息。最近最久未使用（LRU）算法162024/3/2604文件系統(tǒng)172024/3/26文件的概念文件是操作系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的基本單位，它是一段具有特定名稱的、可尋址的、可操作的、可管理的數(shù)據(jù)集合。文件的類型根據(jù)文件的性質(zhì)和用途，文件可分為普通文件、目錄文件、特殊文件等。普通文件是用戶通常意義上的文件，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；目錄文件用于表示和管理文件系統(tǒng)中的目錄結(jié)構(gòu)；特殊文件則包括設(shè)備文件和管道文件等，用于實(shí)現(xiàn)特定的系統(tǒng)功能。文件的概念與類型182024/3/26VS目錄是文件系統(tǒng)中用于組織和管理文件的邏輯結(jié)構(gòu)，它提供了一種層次化的方式來(lái)表示文件之間的關(guān)聯(lián)。目錄結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的目錄結(jié)構(gòu)有單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)、二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)和多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將所有文件都放在根目錄下，適用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)；二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)將文件分為用戶文件和系統(tǒng)文件兩類，分別放在不同的目錄下；多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)則采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，可以表示更復(fù)雜的文件和目錄關(guān)系。目錄的概念文件目錄結(jié)構(gòu)192024/3/26文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在存儲(chǔ)設(shè)備上的存放方式，包括連續(xù)結(jié)構(gòu)、鏈接結(jié)構(gòu)和索引結(jié)構(gòu)等。連續(xù)結(jié)構(gòu)將文件數(shù)據(jù)連續(xù)存放在磁盤(pán)上，適用于順序訪問(wèn)；鏈接結(jié)構(gòu)將文件數(shù)據(jù)分散存放在磁盤(pán)上，通過(guò)鏈接指針進(jìn)行訪問(wèn)；索引結(jié)構(gòu)則通過(guò)建立索引表來(lái)管理文件的存放位置。操作系統(tǒng)需要有效地管理文件的存儲(chǔ)空間，包括空閑空間的管理和已分配空間的管理。常見(jiàn)的空閑空間管理方法有位示圖法、空閑塊鏈表法和空閑塊成組鏈接法等；而已分配空間的管理則可以通過(guò)建立文件分配表或鏈接指針等方式實(shí)現(xiàn)。文件的物理結(jié)構(gòu)文件存儲(chǔ)空間管理文件存儲(chǔ)管理202024/3/26文件共享多個(gè)用戶或進(jìn)程可以同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)文件，實(shí)現(xiàn)文件的共享。操作系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的共享機(jī)制和管理策略，如基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方式、基于符號(hào)鏈接的共享方式等。文件保護(hù)為了保護(hù)文件的安全性和完整性，操作系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的保護(hù)措施，如訪問(wèn)控制列表（ACL）、加密技術(shù)等。同時(shí)，還需要防止對(duì)文件的非法訪問(wèn)和破壞，如通過(guò)防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等手段來(lái)加強(qiáng)文件系統(tǒng)的安全防護(hù)。文件共享與保護(hù)212024/3/2605設(shè)備管理222024/3/26操作系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?，確保設(shè)備正常工作。提供設(shè)備控制與處理功能設(shè)備管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，即應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的操作與具體設(shè)備無(wú)關(guān)，提高系統(tǒng)的可移植性和易維護(hù)性。設(shè)備獨(dú)立性根據(jù)設(shè)備請(qǐng)求，為進(jìn)程分配所需的設(shè)備資源，并在進(jìn)程結(jié)束后及時(shí)回收設(shè)備資源。設(shè)備分配與回收對(duì)設(shè)備進(jìn)行緩沖管理，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少CPU等待時(shí)間。緩沖管理設(shè)備管理的功能與任務(wù)232024/3/26程序直接控制方式由用戶進(jìn)程直接控制I/O操作，CPU等待時(shí)間長(zhǎng)，效率低下。DMA控制方式通過(guò)DMA控制器直接控制內(nèi)存與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，降低了CPU的干預(yù)程度，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。中斷控制方式采用中斷技術(shù)，當(dāng)I/O操作完成后，通過(guò)中斷通知CPU進(jìn)行處理，提高了CPU利用率。通道控制方式使用通道來(lái)控制多個(gè)I/O設(shè)備的操作，進(jìn)一步減少了CPU的干預(yù)，提高了系統(tǒng)性能。I/O控制方式242024/3/26123對(duì)于獨(dú)占設(shè)備，采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)分配方式，確保同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)進(jìn)程能夠使用該設(shè)備。獨(dú)占設(shè)備分配對(duì)于共享設(shè)備，采用虛擬設(shè)備技術(shù)或SPOOLing技術(shù)，允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用同一設(shè)備。共享設(shè)備分配根據(jù)設(shè)備的特性和系統(tǒng)需求，選擇合適的設(shè)備分配算法，如先來(lái)先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先等。設(shè)備分配算法設(shè)備分配技術(shù)252024/3/26設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備的橋梁，它負(fù)責(zé)接收操作系統(tǒng)的請(qǐng)求并控制硬件設(shè)備完成相應(yīng)的操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常由設(shè)備控制塊、中斷處理程序、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和設(shè)備服務(wù)子程序等組成。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)與加載編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要了解硬件設(shè)備的特性和操作系統(tǒng)的接口規(guī)范，加載驅(qū)動(dòng)程序則需要通過(guò)操作系統(tǒng)提供的機(jī)制將驅(qū)動(dòng)程序加載到內(nèi)核中。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的概念262024/3/2606操作系統(tǒng)安全272024/3/2603操作系統(tǒng)安全策略身份驗(yàn)證、訪問(wèn)控制、加密等。01操作系統(tǒng)安全的重要性保護(hù)系統(tǒng)資源，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和破壞。02操作系統(tǒng)面臨的安全威脅惡意軟件、黑客攻擊、數(shù)據(jù)泄露等。操作系統(tǒng)安全概述282024/3/26主體、客體、訪問(wèn)權(quán)限等。訪問(wèn)控制的基本概念自主訪問(wèn)控制、強(qiáng)制訪問(wèn)控制、基于角色的訪問(wèn)控制等。訪問(wèn)控制模型訪問(wèn)控制列表、能力表、安全標(biāo)簽等。訪問(wèn)控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)訪問(wèn)控制技術(shù)292024/3/26加密