現(xiàn)代操作系統(tǒng)課件

現(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。它管理硬件資源，為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源。提供用戶(hù)接口操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供一個(gè)易于使用的接口，方便用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)。資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，并保證應(yīng)用程序正常運(yùn)行。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)管理計(jì)算機(jī)硬件，例如CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它為應(yīng)用程序提供訪問(wèn)硬件資源的接口，并確保資源的有效利用。提供用戶(hù)接口操作系統(tǒng)提供用戶(hù)界面，使用戶(hù)能夠與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。用戶(hù)界面可以是圖形界面（GUI）或命令行界面（CLI）。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)20世紀(jì)50年代出現(xiàn)批處理操作系統(tǒng)，提高了計(jì)算機(jī)利用率。例如，通用自動(dòng)程序控制系統(tǒng)（UNIVAC）和通用業(yè)務(wù)自動(dòng)化系統(tǒng)（IBM704）。2分時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了分時(shí)操作系統(tǒng)，如CTSS和Multics，允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。3現(xiàn)代操作系統(tǒng)20世紀(jì)70年代至80年代，Unix和Windows等現(xiàn)代操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，提供了圖形界面、多任務(wù)處理和網(wǎng)絡(luò)功能。4云計(jì)算操作系統(tǒng)21世紀(jì)，云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了云操作系統(tǒng)（例如，GoogleChromeOS和AmazonWebServices）的出現(xiàn)，它們基于云計(jì)算模型提供服務(wù)。操作系統(tǒng)的分類(lèi)批處理操作系統(tǒng)早期的操作系統(tǒng)類(lèi)型，通常用于大型機(jī)和服務(wù)器，以批次方式執(zhí)行作業(yè)。主要用于數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算。分時(shí)操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并共享系統(tǒng)資源，例如CPU、內(nèi)存和外設(shè)。使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用，要求系統(tǒng)快速響應(yīng)外部事件，并及時(shí)處理數(shù)據(jù)，通常用于需要實(shí)時(shí)控制和高可靠性的場(chǎng)景。單用戶(hù)操作系統(tǒng)主要用于個(gè)人電腦，通常為單個(gè)用戶(hù)提供桌面環(huán)境和應(yīng)用軟件，例如Windows、macOS和Linux。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)各個(gè)組件的組織方式，決定了系統(tǒng)資源管理和調(diào)度策略的效率。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)包括分層式結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)。分層式結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分為若干層級(jí)，每層只與相鄰層交互，便于理解和維護(hù)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將核心功能簡(jiǎn)化為最小集，其他功能由運(yùn)行在用戶(hù)空間的模塊實(shí)現(xiàn)，靈活性高。模塊化結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)劃分為獨(dú)立模塊，方便維護(hù)和擴(kuò)展。面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一系列對(duì)象，每個(gè)對(duì)象封裝了數(shù)據(jù)和操作，提高了代碼重用性和可維護(hù)性。進(jìn)程管理進(jìn)程定義進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。進(jìn)程管理功能進(jìn)程管理負(fù)責(zé)創(chuàng)建、終止、調(diào)度和同步進(jìn)程，確保系統(tǒng)資源的有效利用。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷不同的狀態(tài)，包括運(yùn)行、就緒、阻塞和終止等。進(jìn)程的描述及狀態(tài)轉(zhuǎn)換創(chuàng)建進(jìn)程創(chuàng)建后，操作系統(tǒng)為其分配必要的資源，如內(nèi)存空間、進(jìn)程控制塊等，并將其置于“就緒”狀態(tài)，等待被調(diào)度執(zhí)行。就緒進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，意味著它已經(jīng)準(zhǔn)備好了執(zhí)行，但由于沒(méi)有獲得CPU，它暫時(shí)無(wú)法執(zhí)行。運(yùn)行進(jìn)程獲得CPU后，便進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始執(zhí)行其代碼。阻塞進(jìn)程在等待某個(gè)事件發(fā)生，例如I/O操作完成或其他資源可用，此時(shí)進(jìn)程會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。終止當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行完畢或出現(xiàn)異常情況，進(jìn)程將被終止，并釋放其占用的資源。進(jìn)程的調(diào)度11.進(jìn)程調(diào)度概述進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)管理多個(gè)進(jìn)程的關(guān)鍵機(jī)制，它決定了哪個(gè)進(jìn)程獲得CPU時(shí)間片，并分配資源。22.目標(biāo)目標(biāo)是最大限度地提高CPU利用率，最小化平均等待時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間，并確保公平性。33.調(diào)度算法常見(jiàn)的調(diào)度算法包括先到先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、優(yōu)先級(jí)調(diào)度、輪轉(zhuǎn)調(diào)度等。44.實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)使用調(diào)度程序來(lái)選擇和運(yùn)行進(jìn)程，調(diào)度程序會(huì)根據(jù)算法選擇下一個(gè)要執(zhí)行的進(jìn)程。進(jìn)程同步與互斥信號(hào)量信號(hào)量是進(jìn)程間通信的一種機(jī)制，用于協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)?；コ怄i互斥鎖是一種同步機(jī)制，用于確保在任何時(shí)候只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)共享資源。條件變量條件變量是用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的同步機(jī)制，允許線程等待特定條件的發(fā)生。管程管程是一種高級(jí)的同步機(jī)制，它將共享資源及其訪問(wèn)方法封裝在一個(gè)抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型中，確保同步的正確性。內(nèi)存管理11.虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存是利用硬盤(pán)空間來(lái)擴(kuò)展內(nèi)存容量，從而允許運(yùn)行更大的程序，并提高系統(tǒng)效率。22.內(nèi)存分配策略?xún)?nèi)存分配策略是指如何將內(nèi)存分配給不同的程序，常用的策略有：首次適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法、最差適應(yīng)算法。33.頁(yè)面置換算法頁(yè)面置換算法是在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，需要將部分頁(yè)面換出到磁盤(pán)上，常用的頁(yè)面置換算法包括：FIFO、LRU、OPT。44.內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)是為了防止程序訪問(wèn)其他程序的內(nèi)存空間，常見(jiàn)的保護(hù)機(jī)制包括：地址空間隔離、內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限控制。內(nèi)存分配策略首次適應(yīng)算法首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的開(kāi)始位置開(kāi)始查找，找到第一個(gè)足夠大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。簡(jiǎn)單易懂，但可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片化。最佳適應(yīng)算法最佳適應(yīng)算法從內(nèi)存的開(kāi)始位置查找，找到最適合的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程?？梢詼p少內(nèi)存碎片化，但搜索時(shí)間較長(zhǎng)。最差適應(yīng)算法最差適應(yīng)算法選擇最大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程?？赡軙?huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片化，但可以為大型進(jìn)程分配更大空間?；锇橄到y(tǒng)算法伙伴系統(tǒng)算法將內(nèi)存劃分為大小為2的冪次方的分區(qū)，并采用二叉樹(shù)管理空閑分區(qū)。可以有效減少內(nèi)存碎片化，但對(duì)內(nèi)存大小有限制。虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存概念虛擬內(nèi)存是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。虛擬內(nèi)存利用磁盤(pán)空間作為額外的內(nèi)存，將程序代碼和數(shù)據(jù)分成頁(yè)面，并將這些頁(yè)面存儲(chǔ)在磁盤(pán)上。虛擬地址空間操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建了一個(gè)虛擬地址空間，它是一個(gè)邏輯地址空間，與物理地址空間不同。虛擬地址空間中的地址稱(chēng)為虛擬地址，這些地址被映射到物理地址空間中的物理地址。頁(yè)面置換算法FIFO先進(jìn)先出算法，最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面被最先替換。簡(jiǎn)單易行，但容易出現(xiàn)Belady現(xiàn)象。LRU最近最少使用算法，最近使用過(guò)的頁(yè)面被保留，最久未使用的頁(yè)面被替換。性能較好，但需要額外的空間記錄頁(yè)面使用信息。OPT最佳頁(yè)面置換算法，選擇未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換。理論上最優(yōu)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)，僅用于比較其他算法。CLOCK時(shí)鐘算法，通過(guò)循環(huán)訪問(wèn)頁(yè)面，并使用一個(gè)位標(biāo)記頁(yè)面是否被訪問(wèn)，選擇最久未被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換。性能接近LRU，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。設(shè)備管理硬件管理設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備，包括CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、打印機(jī)、鍵盤(pán)等。資源分配當(dāng)多個(gè)進(jìn)程或用戶(hù)需要使用同一設(shè)備時(shí)，設(shè)備管理需要負(fù)責(zé)分配資源，防止沖突。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)備之間溝通的橋梁，負(fù)責(zé)控制硬件設(shè)備的工作。設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性是指應(yīng)用程序不需要關(guān)心具體使用的設(shè)備類(lèi)型，只需要通過(guò)統(tǒng)一的接口訪問(wèn)設(shè)備。磁盤(pán)管理磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)。磁盤(pán)分區(qū)磁盤(pán)分區(qū)將磁盤(pán)劃分為多個(gè)邏輯單元，以便更有效地組織和管理數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)提供了一種結(jié)構(gòu)化的方式來(lái)組織和訪問(wèn)磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)。磁盤(pán)讀寫(xiě)操作操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理磁盤(pán)的讀寫(xiě)操作，確保數(shù)據(jù)安全可靠地存儲(chǔ)和訪問(wèn)。文件管理文件組織與訪問(wèn)文件系統(tǒng)管理所有文件，讓用戶(hù)輕松找到、訪問(wèn)和管理數(shù)據(jù)。它使用目錄結(jié)構(gòu)來(lái)組織文件，并提供各種操作，例如創(chuàng)建、刪除、修改和復(fù)制文件。數(shù)據(jù)安全與完整性文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)文件免受意外刪除或損壞，并提供訪問(wèn)控制機(jī)制，確保數(shù)據(jù)安全。它還管理文件備份和恢復(fù)機(jī)制，以防止數(shù)據(jù)丟失。文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)線性結(jié)構(gòu)文件是一個(gè)連續(xù)的線性空間，每個(gè)文件占據(jù)一個(gè)連續(xù)的磁盤(pán)塊。樹(shù)形結(jié)構(gòu)文件是一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)文件可以有子文件，并且可以以層次化的方式進(jìn)行組織。圖狀結(jié)構(gòu)文件是一個(gè)圖結(jié)構(gòu)，每個(gè)文件可以指向其他文件，并且可以以非層次化的方式進(jìn)行組織。文件系統(tǒng)11.文件組織方式文件系統(tǒng)將文件組織成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，方便用戶(hù)管理和訪問(wèn)。22.文件訪問(wèn)控制它提供訪問(wèn)權(quán)限控制，保護(hù)文件免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。33.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理磁盤(pán)空間，為文件分配和釋放存儲(chǔ)空間。44.文件操作支持它提供各種文件操作，例如創(chuàng)建、刪除、讀取、寫(xiě)入和重命名。輸入輸出管理I/O設(shè)備輸入/輸出設(shè)備用于與外部世界交互，包括鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤(pán)等。I/O控制操作系統(tǒng)管理I/O設(shè)備，包括分配、控制和協(xié)調(diào)它們，確保高效使用。I/O驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序是軟件，它們提供了特定設(shè)備的接口，使操作系統(tǒng)能夠控制它們。I/O緩沖緩沖區(qū)用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便在速度不匹配的設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。中斷機(jī)制中斷類(lèi)型硬件中斷軟件中斷異常中斷處理流程中斷處理程序執(zhí)行，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，處理中斷，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回主程序。中斷向量表存儲(chǔ)中斷處理程序的地址，用于快速定位處理程序。系統(tǒng)調(diào)用11.用戶(hù)態(tài)與內(nèi)核態(tài)系統(tǒng)調(diào)用是用戶(hù)程序與內(nèi)核之間通信的橋梁。22.權(quán)限轉(zhuǎn)換用戶(hù)程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行特定操作。33.安全保障系統(tǒng)調(diào)用提供了一層安全機(jī)制，防止用戶(hù)程序直接訪問(wèn)內(nèi)核資源。44.豐富功能系統(tǒng)調(diào)用提供了一系列操作系統(tǒng)的核心功能，如文件管理、進(jìn)程管理等。保護(hù)與安全訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制，保護(hù)系統(tǒng)資源免受非法訪問(wèn)。用戶(hù)身份驗(yàn)證，權(quán)限管理和訪問(wèn)控制列表確保數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全。安全機(jī)制加密、數(shù)字簽名、防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等安全機(jī)制保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性。操作系統(tǒng)提供安全機(jī)制，防止惡意軟件攻擊和數(shù)據(jù)泄露。操作系統(tǒng)的性能評(píng)估操作系統(tǒng)的性能評(píng)估對(duì)于了解系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過(guò)評(píng)估，我們可以識(shí)別瓶頸，優(yōu)化資源分配，提高系統(tǒng)性能。5指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間、吞吐量、資源利用率10方法基準(zhǔn)測(cè)試、性能分析工具15工具性能計(jì)數(shù)器、跟蹤工具、分析軟件20評(píng)估系統(tǒng)性能、資源利用、可靠性操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)云計(jì)算云計(jì)算技術(shù)逐漸普及，操作系統(tǒng)向云環(huán)境遷移，虛擬化技術(shù)和資源池管理成為核心。移動(dòng)操作系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備的普及推動(dòng)了移動(dòng)操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，其特點(diǎn)是輕量級(jí)、高效，支持多任務(wù)處理和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。人工智能人工智能技術(shù)與操作系統(tǒng)相結(jié)合，帶來(lái)更智能的操作系統(tǒng)，例如自動(dòng)任務(wù)調(diào)度、智能資源分配和個(gè)性化服務(wù)。安全與隱私安全和隱私成為未來(lái)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵關(guān)注點(diǎn)，操作系統(tǒng)需要提供更強(qiáng)大的安全機(jī)制和隱私保護(hù)功能。單處理器操作系統(tǒng)單處理器操作系統(tǒng)定義單處理器操作系統(tǒng)是指在一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)中央處理器的操作系統(tǒng)。它只能在同一時(shí)間執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。優(yōu)點(diǎn)成本較低相對(duì)簡(jiǎn)單易于維護(hù)適合對(duì)性能要求不高的應(yīng)用缺點(diǎn)處理能力有限無(wú)法充分利用多核處理器的性能多處理器操作系統(tǒng)共享資源多個(gè)處理器共享相同的內(nèi)存和外設(shè)，提高資源利用率。并行處理多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)，提高系統(tǒng)性能。通信機(jī)制處理器之間需要相互通信協(xié)調(diào)，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)一致性確保多個(gè)處理器對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)一致，防止數(shù)據(jù)沖突。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)航空航天實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域至關(guān)重要，控制飛機(jī)飛行和導(dǎo)航系統(tǒng)。工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化中廣泛應(yīng)用，例如控制生產(chǎn)線、機(jī)器人和傳感器。醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，例如心電圖儀、呼吸機(jī)和手術(shù)機(jī)器人。分布式操作系統(tǒng)資源共享分布式操作系統(tǒng)允許在不同計(jì)算機(jī)之間共享硬件和軟件資源，例如磁盤(pán)存儲(chǔ)空間、打印機(jī)和應(yīng)用程序?？煽啃酝ㄟ^(guò)將系統(tǒng)分布在多個(gè)計(jì)算機(jī)上，分布式操作系統(tǒng)可以提高容錯(cuò)性和可靠性，即使其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也可以繼續(xù)運(yùn)行?？蓴U(kuò)展性分布式操作系統(tǒng)可以輕松地?cái)U(kuò)展到處理更多用戶(hù)和數(shù)據(jù)，從而滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求。高性能通過(guò)將任務(wù)分配給多個(gè)計(jì)算機(jī)，分布式操作系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)性能，并加速計(jì)算過(guò)程。移動(dòng)操作系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化移動(dòng)操作系統(tǒng)針對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，包括低功耗、觸摸屏交互和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接等特性。應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)移動(dòng)操作