《操作系統(tǒng)原理ch》課件

操作系統(tǒng)原理《操作系統(tǒng)原理》課程PPT課件介紹計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)本課程將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念，為學(xué)生提供堅(jiān)實(shí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)。實(shí)踐操作能力課程內(nèi)容注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生掌握操作系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)踐操作能力。問(wèn)題解決能力通過(guò)深入理解操作系統(tǒng)的工作原理，學(xué)生能夠更好地解決實(shí)際問(wèn)題，提升自身解決問(wèn)題的能力。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，管理計(jì)算機(jī)的硬件資源并提供用戶(hù)界面，方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)。功能操作系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源，例如處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和外設(shè)，以及管理用戶(hù)程序，方便用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)。管理功能操作系統(tǒng)的管理功能包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理和安全管理。操作系統(tǒng)發(fā)展歷程1現(xiàn)代操作系統(tǒng)Windows、Linux、macOS2多用戶(hù)操作系統(tǒng)Unix、Multics3批處理操作系統(tǒng)IBM的OS/3604單用戶(hù)操作系統(tǒng)MS-DOS、CP/M操作系統(tǒng)發(fā)展歷程可以追溯到上世紀(jì)50年代。早期的操作系統(tǒng)主要是批處理系統(tǒng)，例如IBM的OS/360。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了單用戶(hù)操作系統(tǒng)，例如MS-DOS和CP/M。到了上世紀(jì)70年代，多用戶(hù)操作系統(tǒng)開(kāi)始興起，例如Unix和Multics?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)，例如Windows、Linux和macOS，提供了更強(qiáng)大的功能和更友好的用戶(hù)界面。操作系統(tǒng)的分類(lèi)批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)是一種早期的操作系統(tǒng)，它將作業(yè)以批量的形式提交給系統(tǒng)，然后由系統(tǒng)依次執(zhí)行。分時(shí)操作系統(tǒng)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)，系統(tǒng)將CPU時(shí)間分配給不同的用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)資源共享。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于控制和管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求對(duì)事件做出快速響應(yīng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)等。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供資源共享和管理功能，例如文件共享、打印機(jī)共享、用戶(hù)管理等。操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為不同的層次，每個(gè)層次都負(fù)責(zé)特定的任務(wù)。這些層次彼此交互，共同執(zhí)行操作系統(tǒng)的功能。通常，操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)級(jí)別：內(nèi)核層系統(tǒng)調(diào)用層用戶(hù)程序?qū)舆M(jìn)程和線程的概念進(jìn)程進(jìn)程是正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，它包含程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間和資源。線程線程是進(jìn)程中的執(zhí)行單元，共享同一進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源，可以獨(dú)立執(zhí)行。多個(gè)線程可以并發(fā)運(yùn)行，提高程序效率。關(guān)系進(jìn)程是資源分配的基本單位，而線程是CPU調(diào)度的基本單位。一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，并共享進(jìn)程資源。進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備就緒，等待CPU資源分配，可以立即執(zhí)行。運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在CPU上執(zhí)行，分配了CPU時(shí)間片，可以執(zhí)行任務(wù)。阻塞狀態(tài)進(jìn)程被阻塞，等待某一事件發(fā)生，例如I/O操作完成或其他資源可用。進(jìn)程的調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)(FCFS)按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致短進(jìn)程等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇下一個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程是估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程。提高系統(tǒng)吞吐量，但可能導(dǎo)致長(zhǎng)進(jìn)程饑餓。優(yōu)先級(jí)調(diào)度每個(gè)進(jìn)程都分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程先執(zhí)行?？捎糜趨^(qū)分重要性和緊急程度，但可能導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程饑餓。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片結(jié)束后切換到下一個(gè)進(jìn)程。公平分配CPU時(shí)間，但可能造成額外開(kāi)銷(xiāo)。線程的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)輕量級(jí)線程是進(jìn)程中的一部分，比進(jìn)程更輕量級(jí)，創(chuàng)建和銷(xiāo)毀速度更快。并發(fā)性多個(gè)線程可以同時(shí)執(zhí)行，提高系統(tǒng)資源利用率。共享資源線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源，便于協(xié)同工作。提高效率通過(guò)并發(fā)執(zhí)行，線程可以提高程序的執(zhí)行效率，特別是對(duì)于I/O密集型任務(wù)。進(jìn)程間通信機(jī)制管道管道是一種最簡(jiǎn)單的通信方式，用于在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以字節(jié)流的形式寫(xiě)入管道，由另一個(gè)進(jìn)程從管道中讀取。消息隊(duì)列消息隊(duì)列是進(jìn)程間通信的一種機(jī)制，允許進(jìn)程間通過(guò)隊(duì)列進(jìn)行通信。每個(gè)消息隊(duì)列可以關(guān)聯(lián)一個(gè)隊(duì)列名，并允許多個(gè)進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。信號(hào)量信號(hào)量是一種同步機(jī)制，用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以用于協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的訪問(wèn)。共享內(nèi)存共享內(nèi)存允許進(jìn)程間直接訪問(wèn)同一塊內(nèi)存空間。這是一種高效的通信方式，但需要謹(jǐn)慎管理共享資源，防止數(shù)據(jù)沖突。死鎖的概念及其原因資源競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)同一資源，導(dǎo)致部分進(jìn)程無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。循環(huán)等待多個(gè)進(jìn)程相互等待對(duì)方釋放資源，形成循環(huán)依賴(lài)關(guān)系。不合理資源分配操作系統(tǒng)資源分配不合理，可能導(dǎo)致某些進(jìn)程長(zhǎng)期占有資源，阻礙其他進(jìn)程運(yùn)行。進(jìn)程掛起某些進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)陷入僵局，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。死鎖的預(yù)防和避免死鎖是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，它會(huì)使系統(tǒng)停止響應(yīng)，并導(dǎo)致資源浪費(fèi)。為了解決死鎖問(wèn)題，可以采取預(yù)防措施和避免措施。1預(yù)防通過(guò)限制資源的訪問(wèn)，可以防止死鎖的發(fā)生。2避免通過(guò)使用算法來(lái)動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和避免死鎖。3檢測(cè)和恢復(fù)檢測(cè)到死鎖發(fā)生后，采取措施解除死鎖。內(nèi)存管理概述內(nèi)存資源管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，負(fù)責(zé)分配和管理內(nèi)存資源。進(jìn)程地址空間操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)獨(dú)立的地址空間，以確保進(jìn)程之間相互隔離。內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存管理機(jī)制能夠防止進(jìn)程訪問(wèn)其他進(jìn)程的內(nèi)存空間，從而保護(hù)系統(tǒng)安全。內(nèi)存分配與回收操作系統(tǒng)需要根據(jù)程序的需求動(dòng)態(tài)分配和回收內(nèi)存空間，提高內(nèi)存利用率。連續(xù)分配和分頁(yè)存儲(chǔ)管理1連續(xù)分配連續(xù)分配內(nèi)存的方式，將內(nèi)存空間劃分為多個(gè)連續(xù)的區(qū)域，每個(gè)進(jìn)程占用一個(gè)連續(xù)的區(qū)域。簡(jiǎn)單易懂，但也存在外部碎片和內(nèi)部碎片問(wèn)題。2分頁(yè)存儲(chǔ)管理將程序邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(yè)，物理內(nèi)存劃分為相同大小的頁(yè)框，進(jìn)程的頁(yè)可以裝入到非連續(xù)的頁(yè)框中，從而可以避免外部碎片。3頁(yè)面置換當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，需要將頁(yè)面從內(nèi)存中換出到磁盤(pán)上，當(dāng)需要使用該頁(yè)面時(shí)，再將其從磁盤(pán)調(diào)入內(nèi)存。分頁(yè)存儲(chǔ)管理機(jī)制1頁(yè)表頁(yè)表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)每個(gè)頁(yè)面在內(nèi)存中的物理地址。2地址轉(zhuǎn)換CPU產(chǎn)生的邏輯地址通過(guò)頁(yè)表轉(zhuǎn)換為物理地址，實(shí)現(xiàn)虛擬地址空間到物理地址空間的映射。3頁(yè)面置換當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，需要將部分頁(yè)面從內(nèi)存中移出，選擇合適的頁(yè)面置換算法。頁(yè)面置換算法FIFOFIFO算法是最簡(jiǎn)單的頁(yè)面置換算法，它根據(jù)頁(yè)面進(jìn)入內(nèi)存的順序進(jìn)行置換，先進(jìn)入的頁(yè)面先被置換出去。LRULRU算法是最常用的頁(yè)面置換算法之一，它根據(jù)頁(yè)面最后一次被訪問(wèn)的時(shí)間進(jìn)行置換，最近最少使用的頁(yè)面會(huì)被置換出去。OPTOPT算法是最佳頁(yè)面置換算法，它根據(jù)未來(lái)頁(yè)面訪問(wèn)的順序進(jìn)行置換，未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面會(huì)被置換出去。CLOCKCLOCK算法是LRU算法的一種近似實(shí)現(xiàn)，它使用一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來(lái)維護(hù)頁(yè)面訪問(wèn)信息，并使用一個(gè)指針來(lái)指向當(dāng)前頁(yè)面。虛擬存儲(chǔ)器概念虛擬存儲(chǔ)器是一種內(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。它將程序代碼和數(shù)據(jù)分成固定大小的塊，稱(chēng)為頁(yè)面。這些頁(yè)面可以存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，并在需要時(shí)加載到內(nèi)存中。優(yōu)勢(shì)虛擬存儲(chǔ)器提供了以下優(yōu)勢(shì)：允許程序使用大于物理內(nèi)存的地址空間提高系統(tǒng)效率，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行提高程序安全性，防止程序之間相互影響文件系統(tǒng)的概念和功能數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)管理和組織存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)。訪問(wèn)控制它定義了用戶(hù)和程序?qū)ξ募脑L問(wèn)權(quán)限，以保護(hù)數(shù)據(jù)完整性和安全性。命名和組織文件系統(tǒng)為文件提供邏輯結(jié)構(gòu)，使用目錄和文件名來(lái)組織和檢索它們。共享和協(xié)作文件系統(tǒng)允許不同用戶(hù)或程序共享文件，并提供同步和版本控制機(jī)制。文件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)組織方式是指如何管理文件在存儲(chǔ)設(shè)備上的存儲(chǔ)和訪問(wèn)，是操作系統(tǒng)的重要組成部分。主要由目錄結(jié)構(gòu)、文件分配表、文件控制塊等組成。目錄結(jié)構(gòu)用于描述文件組織形式，文件分配表用于記錄文件在磁盤(pán)上的分配情況，文件控制塊用于描述文件屬性和內(nèi)容。文件的分配方式連續(xù)分配在連續(xù)分配方式中，每個(gè)文件被分配一個(gè)連續(xù)的磁盤(pán)空間塊。這簡(jiǎn)化了尋址，但存在外部碎片問(wèn)題，即可能存在未使用的空間塊分散在已分配空間之間。鏈接分配鏈接分配方式使用指針將文件塊鏈接起來(lái)，允許文件分散在磁盤(pán)上的非連續(xù)塊中。這解決了外部碎片問(wèn)題，但可能存在指針丟失的風(fēng)險(xiǎn)。索引分配索引分配方式使用索引節(jié)點(diǎn)(inode)來(lái)管理文件，其中包含文件塊的索引。這種方式提供了靈活性和高效的磁盤(pán)空間利用率。文件的目錄管理1層次結(jié)構(gòu)目錄組織成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，方便文件查找與管理。目錄結(jié)構(gòu)由根目錄、子目錄和文件組成，每個(gè)目錄可以包含多個(gè)子目錄和文件。每個(gè)目錄包含指向子目錄和文件的指針。2文件命名每個(gè)文件需要一個(gè)唯一的名稱(chēng)，通過(guò)名稱(chēng)可以找到對(duì)應(yīng)文件。文件命名通常遵循系統(tǒng)規(guī)定，可以使用大小寫(xiě)字母、數(shù)字和特殊字符。3目錄操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、修改目錄等操作。同時(shí)提供創(chuàng)建、刪除、打開(kāi)、關(guān)閉文件等操作。目錄和文件管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一。文件的保護(hù)與共享文件保護(hù)防止用戶(hù)未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)或修改文件內(nèi)容。使用訪問(wèn)控制列表(ACL)和權(quán)限設(shè)置限制對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限。例如，設(shè)置文件訪問(wèn)權(quán)限為“只讀”，防止用戶(hù)修改文件內(nèi)容。文件共享允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)和使用同一個(gè)文件。通過(guò)共享目錄、符號(hào)鏈接或網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)文件共享，方便協(xié)作和資源利用。設(shè)備管理的概念和功能資源分配操作系統(tǒng)管理硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)和打印機(jī)，并根據(jù)需求分配給不同的進(jìn)程。訪問(wèn)控制設(shè)備管理確保進(jìn)程僅訪問(wèn)其已授權(quán)使用的設(shè)備，防止非法訪問(wèn)或沖突。性能優(yōu)化通過(guò)高效分配資源，提高設(shè)備利用率，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，減少延遲和等待時(shí)間。安全保障保護(hù)硬件資源免受惡意使用或損壞，確保數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)備管理的類(lèi)型磁盤(pán)設(shè)備管理磁盤(pán)設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理磁盤(pán)空間，包括磁盤(pán)分配、文件存儲(chǔ)和訪問(wèn)控制。它會(huì)對(duì)磁盤(pán)空間進(jìn)行合理分配，以提高存儲(chǔ)效率和性能。打印設(shè)備管理打印設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理打印機(jī)等外設(shè)，包括打印作業(yè)的排隊(duì)、調(diào)度和打印狀態(tài)監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)接口卡、路由器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)安全管理。緩沖區(qū)管理11.緩存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在設(shè)備和CPU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。22.提高效率通過(guò)緩存，可以減少CPU等待設(shè)備傳輸?shù)臅r(shí)間，提高系統(tǒng)效率。33.協(xié)調(diào)速度緩沖區(qū)充當(dāng)速度匹配器，協(xié)調(diào)CPU和設(shè)備之間的速度差異。44.管理策略緩沖區(qū)管理涉及分配、回收和數(shù)據(jù)流控制等策略。磁盤(pán)管理硬盤(pán)分配操作系統(tǒng)將磁盤(pán)空間分配給不同的文件和目錄，以便有效地存儲(chǔ)和訪問(wèn)數(shù)據(jù)。磁盤(pán)分區(qū)將硬盤(pán)劃分成多個(gè)邏輯分區(qū)，每個(gè)分區(qū)可以獨(dú)立使用，增強(qiáng)管理靈活性和安全性。磁盤(pán)性能優(yōu)化通過(guò)優(yōu)化磁盤(pán)碎片整理、緩存管理等，提升磁盤(pán)讀寫(xiě)速度，提高系統(tǒng)整體性能。數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)提供數(shù)據(jù)備份機(jī)制，確保數(shù)據(jù)安全，并制定恢復(fù)策略，以應(yīng)對(duì)磁盤(pán)故障。輸入/輸出子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部和外部設(shè)備之間流動(dòng).設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序操作系統(tǒng)使用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制外部設(shè)備，例如硬盤(pán)，鍵盤(pán)和顯示器.中斷處理中斷處理程序處理來(lái)自外部設(shè)備的信號(hào)，并通知操作系統(tǒng)，以便及時(shí)響應(yīng).緩沖管理緩沖區(qū)用于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少系統(tǒng)等待時(shí)間，提高整體性能.中斷處理機(jī)制中斷的概念中斷是指在程序執(zhí)行過(guò)程中，由硬件或軟件事件所觸發(fā)的異常情況，迫使CPU暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而處理該中斷事件