《操作系統(tǒng)OS》課件

《操作系統(tǒng)OS》課件簡介本課件旨在為學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)提供全面、系統(tǒng)、易懂的指導(dǎo)。涵蓋操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、關(guān)鍵概念和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。操作系統(tǒng)的定義和作用定義操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的軟件系統(tǒng)。它提供了一個(gè)抽象層，使得用戶能夠方便地使用計(jì)算機(jī)資源。作用操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的一部分。它管理著CPU、內(nèi)存、磁盤、打印機(jī)等硬件資源，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)的基本功能管理計(jì)算機(jī)硬件資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和分配計(jì)算機(jī)硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和外設(shè)，以確保有效利用和協(xié)調(diào)運(yùn)行。提供用戶界面操作系統(tǒng)為用戶提供交互界面，例如命令行界面或圖形用戶界面，使他們能夠輕松地使用計(jì)算機(jī)。管理文件和目錄操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、組織和訪問文件和目錄，并提供對(duì)文件進(jìn)行操作的工具，例如創(chuàng)建、刪除、復(fù)制和移動(dòng)。支持應(yīng)用程序運(yùn)行操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供必要的運(yùn)行環(huán)境，例如內(nèi)存分配、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)調(diào)用，使其能夠順利運(yùn)行。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)，例如IBM的OS/360和UNIVAC的EXEC8，引入了作業(yè)控制語言和簡單的內(nèi)存管理機(jī)制。多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)UNIX和Multics等系統(tǒng)引入多道程序設(shè)計(jì)，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，提高了CPU利用率。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)，例如CTSS和Multics，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)技術(shù)共享CPU資源?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)，例如Windows，macOS和Linux，提供了強(qiáng)大的圖形界面，支持多任務(wù)處理，虛擬內(nèi)存，文件管理，安全性和網(wǎng)絡(luò)功能。操作系統(tǒng)的類型服務(wù)器操作系統(tǒng)服務(wù)器操作系統(tǒng)側(cè)重于多任務(wù)處理、資源管理和網(wǎng)絡(luò)功能，適用于大型服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算。桌面操作系統(tǒng)桌面操作系統(tǒng)主要針對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)，提供友好的用戶界面、應(yīng)用程序支持和多媒體功能，例如Windows、macOS和Linux。移動(dòng)操作系統(tǒng)移動(dòng)操作系統(tǒng)專為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)，提供觸控界面、應(yīng)用程序商店和低功耗管理功能，例如Android和iOS。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，如智能家電、汽車和工業(yè)設(shè)備，它們通常具有低資源占用、實(shí)時(shí)性高和特定功能的特點(diǎn)。進(jìn)程管理11.進(jìn)程的概念進(jìn)程是操作系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的基本單元，是程序在內(nèi)存中的動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程。22.進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程在運(yùn)行過程中會(huì)處于不同的狀態(tài)，例如就緒、運(yùn)行、阻塞等。33.進(jìn)程的創(chuàng)建和終止操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建和終止進(jìn)程，并管理進(jìn)程的生命周期。44.進(jìn)程的調(diào)度操作系統(tǒng)通過調(diào)度算法分配CPU時(shí)間片，決定哪個(gè)進(jìn)程占用CPU。進(jìn)程的概念和狀態(tài)進(jìn)程定義進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序的一個(gè)實(shí)例。它是一個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元，擁有自己的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程有不同的狀態(tài)，如運(yùn)行、就緒、阻塞等，反映了進(jìn)程在執(zhí)行過程中的不同階段。進(jìn)程的調(diào)度算法先到先服務(wù)（FCFS）最簡單的調(diào)度算法，先到達(dá)的進(jìn)程先獲得CPU。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低決定CPU分配順序，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程先獲得CPU。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度每個(gè)進(jìn)程獲得一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片用完后，進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列等待下一次調(diào)度。最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度選擇預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，將其分配給CPU。進(jìn)程間通信共享內(nèi)存共享內(nèi)存區(qū)域允許進(jìn)程直接訪問內(nèi)存空間，加快數(shù)據(jù)交換速度。消息傳遞進(jìn)程通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信，消息傳遞提供靈活的通信方式，適合不同類型進(jìn)程。管道管道是用于連接相關(guān)進(jìn)程的一系列字節(jié)，單向數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳遞。套接字套接字是一種用于網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)制，適用于進(jìn)程之間進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。死鎖問題及其預(yù)防死鎖的概念當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方釋放資源時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖。這些進(jìn)程將永遠(yuǎn)處于阻塞狀態(tài)，無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖的預(yù)防預(yù)防死鎖可以通過破壞死鎖發(fā)生的四個(gè)必要條件之一來實(shí)現(xiàn)，例如使用資源分配順序，或者避免循環(huán)等待。內(nèi)存管理內(nèi)存管理內(nèi)存管理是指操作系統(tǒng)如何分配、使用和回收計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存。內(nèi)存地址空間操作系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分為多個(gè)邏輯地址空間，每個(gè)進(jìn)程有自己的地址空間。內(nèi)存碎片內(nèi)存碎片是指內(nèi)存中無法分配給任何進(jìn)程的空閑空間，會(huì)降低內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存技術(shù)允許進(jìn)程使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，提高內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存技術(shù)物理內(nèi)存不足虛擬內(nèi)存技術(shù)允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，提高系統(tǒng)效率。頁面置換算法操作系統(tǒng)需要決定將哪些頁面從內(nèi)存中移除，常用的算法有FIFO、LRU和OPT。提高系統(tǒng)效率虛擬內(nèi)存技術(shù)可以運(yùn)行更大的程序，提高多任務(wù)處理效率，支持更多用戶同時(shí)使用系統(tǒng)。頁式管理和段式管理頁式管理將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁，物理地址空間也劃分為相同大小的頁框。邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址頁面置換算法段式管理將邏輯地址空間劃分為大小不等的段，每個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)邏輯地址范圍。段表存放段的起始地址和長度段式管理適用于多用戶系統(tǒng)和程序共享磁盤管理磁盤空間管理磁盤空間管理是將磁盤空間分配給文件和目錄，以確保有效利用磁盤空間。它包含磁盤格式化、文件系統(tǒng)建立和管理，以及磁盤空間分配和回收。磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法用于優(yōu)化磁盤讀寫操作，提高磁盤訪問效率。常用的調(diào)度算法包括先來先服務(wù)、最短尋道時(shí)間優(yōu)先、掃描算法和電梯算法等。文件管理1文件的概念和操作文件是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)集合，可以是文本、程序、圖片等。操作系統(tǒng)提供對(duì)文件進(jìn)行創(chuàng)建、讀取、寫入、刪除、重命名等操作。2文件目錄結(jié)構(gòu)文件目錄結(jié)構(gòu)用于組織和管理文件。它采用樹形結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)目錄或文件，目錄可以包含子目錄和文件。3文件系統(tǒng)類型常見的文件系統(tǒng)類型有FAT、NTFS、ext2/3/4等，它們?cè)谖募M織、存儲(chǔ)分配、訪問控制等方面有所區(qū)別。文件的概念和操作文件定義文件是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上的信息集合，可以是文本、圖像、視頻或程序等。文件操作對(duì)文件的操作包括創(chuàng)建、打開、讀取、寫入、關(guān)閉、刪除等，操作系統(tǒng)提供系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行這些操作。文件屬性每個(gè)文件都有屬性，如文件名、大小、類型、創(chuàng)建時(shí)間、訪問時(shí)間等，用于標(biāo)識(shí)和管理文件。文件目錄結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)是一種常用的文件目錄結(jié)構(gòu)，它將文件組織成樹狀層次。根目錄根目錄是樹形結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，它包含所有其他目錄和文件的入口點(diǎn)。子目錄子目錄是根目錄或其他目錄的子節(jié)點(diǎn)，它們可以包含其他文件或子目錄。設(shè)備管理設(shè)備分類設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。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)備之間的橋梁，它負(fù)責(zé)控制和管理設(shè)備的運(yùn)行。輸入/輸出子系統(tǒng)輸入/輸出子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的傳輸。中斷機(jī)制中斷機(jī)制是設(shè)備與操作系統(tǒng)進(jìn)行通信的重要方式，它能夠及時(shí)通知操作系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)變化。設(shè)備的分類和特性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)并傳輸數(shù)據(jù)，例如路由器、交換機(jī)和網(wǎng)卡。存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，包括硬盤、SSD和USB閃存盤。輸入設(shè)備輸入設(shè)備接收用戶指令，例如鍵盤、鼠標(biāo)和掃描儀。輸出設(shè)備輸出設(shè)備將處理結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，例如顯示器、打印機(jī)和揚(yáng)聲器。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1軟件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)硬件和操作系統(tǒng)之間的橋梁，提供軟件接口以供操作系統(tǒng)調(diào)用。2硬件操作它負(fù)責(zé)控制和管理設(shè)備，并處理硬件操作，例如數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)控制。3資源分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分配設(shè)備資源，例如內(nèi)存和中斷，以滿足硬件需求并優(yōu)化系統(tǒng)性能。4錯(cuò)誤處理它負(fù)責(zé)處理硬件錯(cuò)誤，例如錯(cuò)誤代碼和異常情況，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。輸入/輸出子系統(tǒng)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)備之間的橋梁，提供統(tǒng)一的接口，方便應(yīng)用程序訪問設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序管理設(shè)備的操作，處理中斷，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，確保硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。中斷機(jī)制中斷機(jī)制允許硬件設(shè)備向操作系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，通知操作系統(tǒng)需要處理的事件，例如鍵盤輸入、磁盤讀寫完成等。中斷處理程序會(huì)響應(yīng)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的處理，然后返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行，確保系統(tǒng)高效運(yùn)作。中斷機(jī)制硬件中斷硬件中斷由外部設(shè)備觸發(fā)，例如鍵盤輸入、磁盤讀寫等。軟件中斷軟件中斷由程序指令觸發(fā)，用于請(qǐng)求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，例如系統(tǒng)調(diào)用。中斷處理流程中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，保存現(xiàn)場(chǎng)，并跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序。系統(tǒng)調(diào)用用戶程序用戶程序無法直接訪問硬件，需要通過系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求內(nèi)核提供的服務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用接口提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，允許用戶程序請(qǐng)求內(nèi)核服務(wù)。內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)調(diào)用，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間通信的橋梁，允許用戶程序請(qǐng)求內(nèi)核提供的服務(wù)，例如文件操作、內(nèi)存分配、進(jìn)程管理等。操作系統(tǒng)的安全性訪問控制操作系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)資源，防止非法訪問和修改。權(quán)限控制和訪問控制列表是常用的機(jī)制。數(shù)據(jù)加密使用加密算法保護(hù)敏感數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。常見算法包括AES、DES和RSA。身份驗(yàn)證驗(yàn)證用戶身份，確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)資源。口令驗(yàn)證、生物識(shí)別和多因素認(rèn)證是常用的方法。系統(tǒng)安全更新及時(shí)修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞和安全缺陷，防止黑客利用漏洞攻擊系統(tǒng)。訪問控制機(jī)制11.用戶身份驗(yàn)證操作系統(tǒng)通過驗(yàn)證用戶身份來控制用戶訪問資源的權(quán)限，例如用戶名和密碼。22.權(quán)限控制操作系統(tǒng)為不同的用戶和用戶組分配不同的權(quán)限，例如讀寫權(quán)限、執(zhí)行權(quán)限。33.對(duì)象訪問控制操作系統(tǒng)控制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問，例如文件、目錄、設(shè)備。44.訪問控制列表(ACL)ACL定義了用戶對(duì)每個(gè)資源的訪問權(quán)限，包括讀取、寫入、執(zhí)行和刪除等操作。加密和認(rèn)證技術(shù)加密加密是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無法理解的格式，以保護(hù)其機(jī)密性。例如，使用密碼算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，只有擁有密鑰的人才能解密。認(rèn)證認(rèn)證是驗(yàn)證用戶或設(shè)備身份的過程，確保其具有訪問權(quán)限。常見的認(rèn)證方法包括用戶名密碼、生物識(shí)別技術(shù)和數(shù)字證書。操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)操作系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)是衡量操作系統(tǒng)效率和有效性的重要指標(biāo)，它可以幫助我們了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)性能瓶頸，并指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化。常見的性能指標(biāo)包括：系統(tǒng)吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU利用率、內(nèi)存利用率、磁盤I/O速度等等。通過對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析，我們可以了解系統(tǒng)的整體性能水平，并針對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)的效率。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)云計(jì)算與分布式系統(tǒng)云計(jì)算環(huán)境下，操作系統(tǒng)需要支持虛擬化、資源管理和安全隔離，以及高效的分布式計(jì)算能力。人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)未來操作系統(tǒng)將與人工智能深度融合，為用戶提供更智能化的服務(wù)和體驗(yàn)，例如自動(dòng)任務(wù)調(diào)度、資源優(yōu)化和個(gè)性化配置。物聯(lián)網(wǎng)與邊