《操作系統(tǒng)陸麗娜》課件

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。它管理和控制計(jì)算機(jī)硬件資源，為用戶提供一個(gè)友好的界面，并負(fù)責(zé)運(yùn)行應(yīng)用程序。教學(xué)目標(biāo)11.理解操作系統(tǒng)的基本概念學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的重要概念，例如進(jìn)程、線程、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。22.掌握操作系統(tǒng)的主要功能了解操作系統(tǒng)的核心功能，如進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理等。33.熟悉常見操作系統(tǒng)的特點(diǎn)了解不同類型操作系統(tǒng)，如Windows、Linux、macOS等，并熟悉它們的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。44.培養(yǎng)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的能力通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更好地理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并能應(yīng)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件。它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)硬件資源，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)就像計(jì)算機(jī)的指揮官，協(xié)調(diào)各個(gè)硬件組件，執(zhí)行用戶指令。操作系統(tǒng)的功能管理計(jì)算機(jī)硬件資源操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和打印機(jī)。它分配資源給不同的應(yīng)用程序，并確保資源的有效利用。提供用戶界面操作系統(tǒng)提供用戶界面，例如命令行界面或圖形用戶界面，使用戶能夠與計(jì)算機(jī)交互。它還提供工具和應(yīng)用程序，幫助用戶完成各種任務(wù)。管理文件和數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)管理文件和數(shù)據(jù)，包括創(chuàng)建、刪除、復(fù)制和移動(dòng)文件。它還提供文件系統(tǒng)，使用戶能夠組織和訪問(wèn)數(shù)據(jù)。提供安全機(jī)制操作系統(tǒng)提供安全機(jī)制，例如用戶身份驗(yàn)證和訪問(wèn)控制，保護(hù)系統(tǒng)免受惡意攻擊。它還管理用戶權(quán)限，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)將一批作業(yè)提交給系統(tǒng)，并按順序執(zhí)行，無(wú)需用戶交互。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)將CPU時(shí)間分配給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶都可以在短時(shí)間內(nèi)獲得響應(yīng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)對(duì)事件做出快速響應(yīng)，通常用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持多個(gè)計(jì)算機(jī)連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并共享資源和數(shù)據(jù)。進(jìn)程管理進(jìn)程概念進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，它包含了程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。進(jìn)程管理功能操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建、撤銷、掛起、恢復(fù)、調(diào)度進(jìn)程，并管理進(jìn)程之間的同步和通信。進(jìn)程控制塊（PCB）每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)PCB，它存儲(chǔ)了進(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)程狀態(tài)進(jìn)程在生命周期中會(huì)經(jīng)歷多個(gè)狀態(tài)，例如就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)等。進(jìn)程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換1新建進(jìn)程被創(chuàng)建但尚未分配資源2就緒進(jìn)程已分配資源，等待CPU3運(yùn)行進(jìn)程正在使用CPU4阻塞進(jìn)程等待某個(gè)事件發(fā)生5終止進(jìn)程完成或發(fā)生錯(cuò)誤進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換是指進(jìn)程在生命周期中狀態(tài)的變化。進(jìn)程的生命周期包括五種狀態(tài)：新建、就緒、運(yùn)行、阻塞和終止。進(jìn)程間通信進(jìn)程間通信（IPC）允許不同進(jìn)程共享數(shù)據(jù)和資源。IPC機(jī)制用于協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的活動(dòng)，提高系統(tǒng)效率。常見IPC機(jī)制包括管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存和信號(hào)量。死鎖問(wèn)題互鎖多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。資源爭(zhēng)奪當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)使用相同的資源時(shí)，會(huì)導(dǎo)致死鎖。進(jìn)程阻塞當(dāng)一個(gè)進(jìn)程無(wú)法獲取所需的資源時(shí)，它將被阻塞，無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖的四個(gè)必要條件互斥條件資源只能被一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占使用，其他進(jìn)程無(wú)法訪問(wèn)該資源。請(qǐng)求和保持條件進(jìn)程已經(jīng)擁有至少一個(gè)資源，但又請(qǐng)求另一個(gè)資源，被阻塞。不可剝奪條件進(jìn)程擁有的資源不能被其他進(jìn)程強(qiáng)制剝奪，只有進(jìn)程主動(dòng)釋放資源。循環(huán)等待條件存在一個(gè)閉環(huán)的進(jìn)程序列，每個(gè)進(jìn)程都等待下一個(gè)進(jìn)程釋放的資源。死鎖的預(yù)防和避免死鎖預(yù)防通過(guò)破壞死鎖的四個(gè)必要條件來(lái)防止死鎖發(fā)生，例如采用資源預(yù)先分配策略或禁止循環(huán)等待。死鎖避免在資源分配過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)可能導(dǎo)致死鎖的狀況，并采取措施避免其發(fā)生，例如銀行家算法。內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存資源，為運(yùn)行的程序提供內(nèi)存空間。1內(nèi)存分配為程序分配內(nèi)存空間2內(nèi)存保護(hù)防止程序訪問(wèn)未授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域3內(nèi)存共享允許多個(gè)程序共享相同的內(nèi)存區(qū)域4內(nèi)存回收釋放不再使用的內(nèi)存空間內(nèi)存分配策略1首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的起始地址開始查找，直到找到一個(gè)足夠大的空閑分區(qū)來(lái)容納該進(jìn)程。2最佳適應(yīng)算法從內(nèi)存中查找最小的可用分區(qū)，并將其分配給該進(jìn)程。3最差適應(yīng)算法從內(nèi)存中查找最大的可用分區(qū)，并將其分配給該進(jìn)程。4伙伴系統(tǒng)將內(nèi)存分成不同大小的塊，每個(gè)塊的大小都是2的冪。虛擬內(nèi)存擴(kuò)大地址空間虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，克服物理內(nèi)存限制。提高多道程序度虛擬內(nèi)存允許系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，即使物理內(nèi)存有限，也能提高系統(tǒng)效率。提高內(nèi)存利用率將程序分段存儲(chǔ)在磁盤和內(nèi)存中，根據(jù)需要加載和替換，提高內(nèi)存利用率，降低內(nèi)存碎片。增強(qiáng)系統(tǒng)安全性虛擬內(nèi)存通過(guò)地址空間隔離，保護(hù)了不同進(jìn)程的內(nèi)存空間，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性。頁(yè)面置換算法最佳置換算法該算法假設(shè)可以預(yù)測(cè)未來(lái)對(duì)頁(yè)面的訪問(wèn)，選擇最久不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行置換。該算法無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，但提供了一個(gè)性能評(píng)估的基準(zhǔn)。先進(jìn)先出算法FIFO算法按照頁(yè)面進(jìn)入內(nèi)存的順序進(jìn)行置換，先進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面最先被置換出去。該算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能會(huì)出現(xiàn)Belady現(xiàn)象，即內(nèi)存容量增大時(shí)反而導(dǎo)致頁(yè)面失效次數(shù)增加。設(shè)備管理1設(shè)備管理概述設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。2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)備之間的接口，用于控制設(shè)備的運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸。3設(shè)備分配與調(diào)度操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將設(shè)備分配給不同的進(jìn)程，并根據(jù)需求對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，以提高效率。磁盤管理磁盤調(diào)度算法提高磁盤利用率，減少磁盤等待時(shí)間，常見算法包括先來(lái)先服務(wù)，最短尋道時(shí)間優(yōu)先，掃描算法，循環(huán)掃描算法。磁盤空間管理管理磁盤空間分配和回收，常用的方法包括連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配。磁盤壞塊管理磁盤壞塊是指不能正常使用的磁盤空間，需要檢測(cè)并進(jìn)行標(biāo)記，避免誤操作，例如：磁盤壞塊管理技術(shù)。文件管理1文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上，文件系統(tǒng)提供了管理文件的方式，確保數(shù)據(jù)組織合理，并為用戶提供訪問(wèn)接口。2目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用層次化的目錄結(jié)構(gòu)，方便用戶管理文件，可以根據(jù)不同的類型進(jìn)行分類，例如圖片、文檔、視頻等。3文件屬性每個(gè)文件都有屬性，例如文件名、大小、創(chuàng)建時(shí)間、修改時(shí)間、所有者、權(quán)限等等，這些信息方便用戶了解文件信息。4文件操作文件操作主要包括創(chuàng)建、打開、讀寫、刪除、移動(dòng)、復(fù)制、重命名等操作，用戶可以通過(guò)這些操作來(lái)管理文件。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)，根目錄位于頂部，其他目錄和文件位于其下方。樹形結(jié)構(gòu)提供了清晰的文件組織方式，方便用戶查找和訪問(wèn)文件。文件目錄文件目錄包含文件和子目錄的列表，并提供指向其在磁盤上的位置的指針。目錄結(jié)構(gòu)使文件組織更加靈活，方便用戶管理大量文件。文件存取方式順序存取順序存取是最簡(jiǎn)單的文件存取方式，文件只能按照順序讀寫，訪問(wèn)速度較慢。直接存取直接存取允許用戶直接訪問(wèn)文件中的任何位置，無(wú)需順序訪問(wèn)，訪問(wèn)速度較快。索引存取索引存取利用索引結(jié)構(gòu)快速定位文件中的特定記錄，訪問(wèn)速度快，適合需要隨機(jī)訪問(wèn)的文件。安全與保護(hù)訪問(wèn)控制防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，例如用戶權(quán)限和密碼驗(yàn)證。惡意軟件防護(hù)抵御病毒、蠕蟲、木馬等惡意軟件的攻擊，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)不被篡改或破壞，并提供數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制。訪問(wèn)控制機(jī)制基于用戶的訪問(wèn)控制根據(jù)用戶的身份和權(quán)限，確定用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)權(quán)限，限制用戶操作?；诮巧脑L問(wèn)控制將用戶分配到不同的角色，每個(gè)角色擁有特定的權(quán)限，角色可以訪問(wèn)特定資源。基于對(duì)象的訪問(wèn)控制將系統(tǒng)資源劃分為不同的對(duì)象，每個(gè)對(duì)象具有特定的訪問(wèn)控制列表，定義哪些用戶可以訪問(wèn)哪些對(duì)象。操作系統(tǒng)安全威脅1病毒惡意軟件會(huì)復(fù)制自身，損害系統(tǒng)文件。2網(wǎng)絡(luò)攻擊黑客利用漏洞，竊取或破壞數(shù)據(jù)。3身份盜竊攻擊者獲取敏感信息，進(jìn)行非法操作。4拒絕服務(wù)攻擊攻擊者阻止合法用戶訪問(wèn)系統(tǒng)或服務(wù)。安全措施訪問(wèn)控制訪問(wèn)控制機(jī)制是操作系統(tǒng)安全的重要組成部分。它通過(guò)限制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。加密數(shù)據(jù)加密可以有效地保護(hù)敏感信息。通過(guò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為只有授權(quán)用戶才能理解的格式，加密可以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。防火墻防火墻是一種網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，它可以阻止來(lái)自外部網(wǎng)絡(luò)的未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。防火墻通過(guò)檢查進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包來(lái)工作。入侵檢測(cè)系統(tǒng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)(IDS)用于檢測(cè)和響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)資源的惡意攻擊。IDS通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)活動(dòng)來(lái)識(shí)別可疑行為。操作系統(tǒng)的歷史發(fā)展早期操作系統(tǒng)20世紀(jì)50年代出現(xiàn)，例如通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)(UNIVAC)和IBM的7090系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代，例如IBM的OS/360和通用電氣公司的Multics系統(tǒng)。分時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)70年代，例如Unix系統(tǒng)和IBM的VM/370系統(tǒng)。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，例如蘋果的MacOS和微軟的MS-DOS系統(tǒng)。圖形用戶界面(GUI)操作系統(tǒng)20世紀(jì)90年代，例如微軟的Windows和蘋果的macOS系統(tǒng)。移動(dòng)操作系統(tǒng)21世紀(jì)，例如谷歌的Android和蘋果的iOS系統(tǒng)。Unix和Linux操作系統(tǒng)UnixUnix是一個(gè)多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，它最初誕生于20世紀(jì)60年代末。LinuxLinux是Unix的一個(gè)開源實(shí)現(xiàn)，它在20世紀(jì)90年代早期誕生，至今已發(fā)展成為世界上最流行的操作系統(tǒng)之一。命令行界面Unix和Linux都以其強(qiáng)大的命令行界面而聞名，這使得它們成為開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員的理想選擇。開源Linux的開源特性使其成為一個(gè)非常活躍的社區(qū)，并為其帶來(lái)了廣泛的應(yīng)用。Windows操作系統(tǒng)Windows10Windows10是微軟發(fā)布的最新操作系統(tǒng)，擁有圖形用戶界面和多任務(wù)功能。Windows11Windows11是Windows10的后續(xù)版本，引入了新的設(shè)計(jì)語(yǔ)言和功能。WindowsServerWindowsServer是微軟的服務(wù)器操作系統(tǒng)，用于企業(yè)和數(shù)據(jù)中心。移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)移動(dòng)操作系統(tǒng)移動(dòng)操作系統(tǒng)是專為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，例如智能手機(jī)和平板電腦。主要特點(diǎn)移動(dòng)操作系統(tǒng)通常更輕量級(jí)，并優(yōu)化了觸摸屏交互，同時(shí)具有低功耗和無(wú)線連接特性。主流系統(tǒng)Android、iOS、WindowsPhone和HarmonyOS是目前最流行的移動(dòng)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展云計(jì)算云計(jì)算提供了一種將操作系統(tǒng)資源和服務(wù)按需分配的方式。它提高了資源利用率，降低了成本，并增強(qiáng)了靈活性。人工智能人