《ch操作系統(tǒng)》課件

《C++操作系統(tǒng)》課程內(nèi)容介紹本課程旨在為學(xué)生提供關(guān)于操作系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。課程內(nèi)容涵蓋了操作系統(tǒng)的關(guān)鍵概念、架構(gòu)、組件和實(shí)現(xiàn)。WDC++語(yǔ)言概述面向?qū)ο缶幊藽++是一種支持面向?qū)ο缶幊?OOP)的語(yǔ)言，它提供了封裝、繼承和多態(tài)等特性。通用編程語(yǔ)言C++是一種通用編程語(yǔ)言，可以用于各種應(yīng)用程序，包括系統(tǒng)編程、游戲開發(fā)和數(shù)據(jù)科學(xué)。高性能C++是一種高性能語(yǔ)言，它提供了對(duì)硬件的直接訪問，并允許程序員優(yōu)化性能。豐富的庫(kù)C++擁有龐大的庫(kù)，包括標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(STL)，它提供了各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。操作系統(tǒng)的基本概念操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，它管理著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件資源。操作系統(tǒng)為用戶提供一個(gè)友好的界面，方便用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和調(diào)度計(jì)算機(jī)資源，為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源，例如網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取２僮飨到y(tǒng)的發(fā)展歷程1現(xiàn)代操作系統(tǒng)多任務(wù)、多用戶、圖形界面2單用戶操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)3早期操作系統(tǒng)單任務(wù)、無文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單任務(wù)到多任務(wù)、從批處理到交互式等幾個(gè)階段。早期操作系統(tǒng)主要用于管理計(jì)算機(jī)硬件資源，以提高計(jì)算機(jī)的使用效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可或缺的一部分。操作系統(tǒng)的功能管理計(jì)算機(jī)硬件操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和管理CPU、內(nèi)存、外設(shè)等硬件資源，確保應(yīng)用程序能夠有效地使用這些資源。操作系統(tǒng)會(huì)處理硬件之間的交互，確保它們協(xié)同工作，并提供抽象層，屏蔽硬件細(xì)節(jié)。提供用戶界面操作系統(tǒng)提供圖形界面或命令行界面，方便用戶與計(jì)算機(jī)交互，執(zhí)行應(yīng)用程序，管理文件和設(shè)置。它可以處理用戶輸入，顯示輸出，并提供各種工具和服務(wù)，幫助用戶完成任務(wù)。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)內(nèi)部各組件的組織方式和相互關(guān)系。常見的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括單內(nèi)核、微內(nèi)核、混合內(nèi)核等。每種體系結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的體系結(jié)構(gòu)。進(jìn)程的概念和狀態(tài)進(jìn)程定義進(jìn)程是程序在執(zhí)行過程中的一個(gè)實(shí)例，擁有獨(dú)立的地址空間，可以分配系統(tǒng)資源。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程經(jīng)歷創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、阻塞、終止等狀態(tài)，這些狀態(tài)在進(jìn)程生命周期中不斷轉(zhuǎn)換。進(jìn)程控制塊每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程控制塊(PCB)，記錄進(jìn)程的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、資源等信息，是操作系統(tǒng)管理進(jìn)程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進(jìn)程調(diào)度算法11.先來先服務(wù)算法最簡(jiǎn)單調(diào)度算法，先到達(dá)的進(jìn)程先執(zhí)行。22.短作業(yè)優(yōu)先算法優(yōu)先執(zhí)行估計(jì)運(yùn)行時(shí)間短的進(jìn)程。33.優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。44.時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，輪流執(zhí)行。進(jìn)程同步和互斥同步同步是指多個(gè)進(jìn)程在訪問共享資源時(shí)必須按照一定的順序進(jìn)行。例如，兩個(gè)進(jìn)程都需要訪問同一個(gè)文件，則必須保證其中一個(gè)進(jìn)程完成對(duì)文件的訪問后，另一個(gè)進(jìn)程才能開始訪問?；コ饣コ馐侵付鄠€(gè)進(jìn)程在任何時(shí)刻只能有一個(gè)進(jìn)程訪問共享資源。例如，兩個(gè)進(jìn)程都需要訪問同一個(gè)打印機(jī)，則必須保證其中一個(gè)進(jìn)程正在使用打印機(jī)時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程無法使用。死鎖的概念和預(yù)防死鎖定義多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而相互等待，形成循環(huán)等待關(guān)系，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖條件互斥條件請(qǐng)求和保持條件不可剝奪條件循環(huán)等待條件預(yù)防死鎖破壞死鎖條件，通過資源分配策略或進(jìn)程調(diào)度策略來避免死鎖。死鎖檢測(cè)和恢復(fù)檢測(cè)死鎖后，采取措施，如撤銷進(jìn)程、搶占資源或回滾操作來恢復(fù)系統(tǒng)。內(nèi)存管理的基本方法11.分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分成多個(gè)固定大小的區(qū)域，為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)或多個(gè)分區(qū)。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但內(nèi)存利用率較低。22.分頁(yè)管理將內(nèi)存空間和程序地址空間都劃分成固定大小的頁(yè)面，通過頁(yè)表實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。提高內(nèi)存利用率，但需要額外的頁(yè)表空間。33.段式管理將程序地址空間劃分成多個(gè)邏輯段，每個(gè)段可以有不同的長(zhǎng)度和訪問權(quán)限。方便程序模塊化管理，但需要額外的段表空間。44.虛擬內(nèi)存技術(shù)將磁盤空間作為內(nèi)存的一部分，通過頁(yè)面置換算法實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬地址空間虛擬內(nèi)存技術(shù)為每個(gè)進(jìn)程提供一個(gè)獨(dú)立的虛擬地址空間，從而實(shí)現(xiàn)資源隔離和安全保護(hù)。分頁(yè)將虛擬地址空間劃分為固定大小的頁(yè)，并以頁(yè)為單位進(jìn)行內(nèi)存分配和管理。交換空間將部分不常用的頁(yè)面暫時(shí)存儲(chǔ)到磁盤上的交換分區(qū)中，以騰出內(nèi)存空間給更頻繁使用的頁(yè)面。頁(yè)面置換算法當(dāng)需要加載新的頁(yè)面而內(nèi)存空間不足時(shí)，選擇一個(gè)頁(yè)面從內(nèi)存中置換出去，常用的置換算法包括FIFO、LRU等。文件系統(tǒng)的基本概念文件文件系統(tǒng)將信息組織為文件，方便管理和訪問。目錄目錄用于組織和管理文件，形成文件樹狀結(jié)構(gòu)。路徑路徑是文件在文件系統(tǒng)中的唯一標(biāo)識(shí)，用于定位文件。共享文件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)文件共享，允許多個(gè)用戶訪問同一個(gè)文件。文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)包含多個(gè)層次，包括物理塊、邏輯塊、目錄結(jié)構(gòu)等。2文件組織方式常見的文件組織方式包括順序文件、索引文件、鏈接文件等。3文件操作文件操作包括創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉、刪除等。4磁盤管理文件系統(tǒng)需要管理磁盤空間，分配和回收空間，以及對(duì)磁盤進(jìn)行格式化等操作。文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是操作系統(tǒng)中重要的組成部分，它負(fù)責(zé)管理和組織存儲(chǔ)在磁盤上的文件，以便用戶能夠方便地訪問和使用文件。磁盤管理和I/O系統(tǒng)磁盤管理磁盤管理是操作系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，負(fù)責(zé)對(duì)磁盤進(jìn)行管理，包括分區(qū)、格式化、文件系統(tǒng)管理等操作。I/O系統(tǒng)I/O系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種輸入輸出設(shè)備，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤、打印機(jī)等。數(shù)據(jù)傳輸操作系統(tǒng)通過I/O系統(tǒng)與磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，讀取和寫入數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的概念硬件與軟件橋梁設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的接口，使得軟件應(yīng)用程序能夠訪問和控制硬件設(shè)備。定制化設(shè)計(jì)由于硬件設(shè)備的差異性，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要針對(duì)特定的硬件設(shè)備進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以確保其能夠正確地驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備。功能與職責(zé)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)接收來自操作系統(tǒng)的命令，并將這些命令轉(zhuǎn)換為硬件設(shè)備能夠理解的信號(hào)，從而控制硬件設(shè)備的行為。優(yōu)化系統(tǒng)性能通過優(yōu)化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以提高硬件設(shè)備的性能，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。中斷機(jī)制的原理中斷的概念中斷是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在執(zhí)行程序的過程中遇到異常事件，導(dǎo)致程序暫停，轉(zhuǎn)而執(zhí)行預(yù)先設(shè)置好的中斷處理程序。中斷可以來自硬件或軟件，例如鍵盤輸入、磁盤讀寫、異常錯(cuò)誤等。中斷處理流程當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，CPU會(huì)保存當(dāng)前程序的運(yùn)行狀態(tài)，并跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序。中斷處理程序完成相應(yīng)的處理后，將恢復(fù)被中斷程序的運(yùn)行狀態(tài)。操作系統(tǒng)的安全機(jī)制11.訪問控制操作系統(tǒng)通過權(quán)限控制策略，限制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問，例如文件、設(shè)備和內(nèi)存。22.密碼保護(hù)用戶身份驗(yàn)證機(jī)制，例如密碼，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問，保護(hù)系統(tǒng)免受惡意攻擊。33.數(shù)據(jù)加密數(shù)據(jù)加密技術(shù)通過密鑰對(duì)敏感信息進(jìn)行加密，保護(hù)數(shù)據(jù)不被泄露或篡改，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。44.安全審計(jì)操作系統(tǒng)記錄用戶操作，以便檢測(cè)和分析安全事件，追溯責(zé)任，提高安全透明度。操作系統(tǒng)的并發(fā)控制進(jìn)程同步多個(gè)進(jìn)程共享資源時(shí)，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步，防止數(shù)據(jù)沖突和資源競(jìng)爭(zhēng)。信號(hào)量信號(hào)量是一種重要的同步機(jī)制，用于控制對(duì)共享資源的訪問，避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問。互斥鎖互斥鎖確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問共享資源，防止數(shù)據(jù)不一致問題。管程管程是一種高級(jí)同步機(jī)制，提供更高級(jí)別的抽象和數(shù)據(jù)封裝，簡(jiǎn)化并發(fā)編程。操作系統(tǒng)的性能評(píng)估指標(biāo)描述吞吐量單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)量響應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間CPU利用率CPU處于忙碌狀態(tài)的時(shí)間比例內(nèi)存利用率內(nèi)存被使用的比例磁盤利用率磁盤被使用的比例性能評(píng)估方法包括基準(zhǔn)測(cè)試、性能監(jiān)控、分析和優(yōu)化。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它決定了操作系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的關(guān)系和功能分配。常見的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)、宏內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)和混合內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀的體系結(jié)構(gòu)需要考慮模塊化、層次化、安全性、可靠性等方面，以確保操作系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)時(shí)性對(duì)事件做出及時(shí)響應(yīng)，并根據(jù)時(shí)間要求進(jìn)行操作，這對(duì)于控制系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要?？煽啃詫?shí)時(shí)系統(tǒng)必須確保可靠運(yùn)行，避免出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)作和安全穩(wěn)定性?？深A(yù)測(cè)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要能夠預(yù)測(cè)執(zhí)行時(shí)間，以便及時(shí)完成任務(wù)，并避免任務(wù)延遲或資源爭(zhēng)奪。資源管理有效管理系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、CPU、I/O，以滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的需求，并保證系統(tǒng)性能。嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介硬件平臺(tái)專門針對(duì)特定硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，例如微控制器、嵌入式系統(tǒng)等。有限資源通常擁有有限的內(nèi)存、存儲(chǔ)空間和處理能力，需要優(yōu)化資源利用率。實(shí)時(shí)性要求系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外部事件，滿足時(shí)間敏感的應(yīng)用需求。分布式操作系統(tǒng)概述資源共享分布式操作系統(tǒng)允許不同計(jì)算機(jī)共享資源，例如處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)器，提高整體效率。高可用性分布式系統(tǒng)能夠容忍單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障，從而提高系統(tǒng)的可靠性和可用性?？蓴U(kuò)展性通過添加更多節(jié)點(diǎn)，分布式系統(tǒng)可以輕松擴(kuò)展以處理不斷增長(zhǎng)的工作負(fù)載和數(shù)據(jù)量。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)1資源共享多個(gè)用戶和計(jì)算機(jī)可以共享網(wǎng)絡(luò)資源，例如文件、打印機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)。2分布式處理任務(wù)可以分散到不同的計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，提高系統(tǒng)性能和可靠性。3通信能力網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供各種通信協(xié)議，方便用戶在不同計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。4安全性網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供安全機(jī)制，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資源不受非法訪問和攻擊。云計(jì)算操作系統(tǒng)概述資源池化將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源抽象為可共享的池，供用戶按需使用。虛擬化技術(shù)利用虛擬化技術(shù)創(chuàng)建虛擬機(jī)、容器等，實(shí)現(xiàn)資源隔離和動(dòng)態(tài)分配。服務(wù)化提供各種云服務(wù)，例如計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等，滿足用戶不同需求。彈性伸縮根據(jù)用戶的實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整資源的規(guī)模，保證服務(wù)性能和成本控制。未來操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)云原生操作系統(tǒng)云原生操作系統(tǒng)將更加輕量級(jí)和模塊化，更好地適應(yīng)云計(jì)算環(huán)境。它們將提供更高的可擴(kuò)展性、安全性、可靠性和彈性，滿足云計(jì)算應(yīng)用的需求。人工智能操作系統(tǒng)人工智能操作系統(tǒng)將利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，智能地管理系統(tǒng)資源，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并提供更個(gè)性化的用戶體驗(yàn)。邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)將支持邊緣設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供更低延遲、更高效率的解決方案。跨平臺(tái)操作系統(tǒng)跨平臺(tái)操作系統(tǒng)將打破不同平臺(tái)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用程序互操作性。安全操作系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)將更加重視系統(tǒng)安全性，采用更先進(jìn)的安全機(jī)制來防范網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露。本課程的考核方式平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī)占比30%。包括課堂參與、作業(yè)完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。期末考試期末考試占比70%?？荚噧?nèi)容涵蓋課程所有知識(shí)點(diǎn)，以筆試形式進(jìn)行。課程總結(jié)與討論