《操作系統(tǒng)原理與實踐》課件

《操作系統(tǒng)原理與實踐》課件操作系統(tǒng)概述用戶界面提供用戶與計算機交互的接口，包括圖形界面(GUI)和命令行界面(CLI).資源管理負責管理計算機系統(tǒng)資源，包括CPU、內存、存儲器和外設.程序執(zhí)行加載和執(zhí)行應用程序，并提供程序運行所需的必要環(huán)境.操作系統(tǒng)的歷史發(fā)展1現(xiàn)代操作系統(tǒng)圖形界面，多任務，網(wǎng)絡功能2批處理系統(tǒng)提高計算機利用率，降低人工操作3單道批處理系統(tǒng)一個程序占用所有資源4手工操作用戶直接操作機器操作系統(tǒng)的體系結構內核內核是操作系統(tǒng)的核心，管理著系統(tǒng)資源并提供基本服務。系統(tǒng)調用接口應用程序通過系統(tǒng)調用接口訪問內核提供的服務。系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序擴展了操作系統(tǒng)的功能，例如命令解釋器、編譯器和編輯器。用戶應用程序用戶應用程序在操作系統(tǒng)的管理下運行，并使用內核提供的服務。進程管理概念進程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位，是正在執(zhí)行的程序的實例。每個進程擁有自己的地址空間、數(shù)據(jù)和堆棧，以及CPU時間片。狀態(tài)進程可以處于多種狀態(tài)，包括運行、就緒、阻塞、創(chuàng)建和終止。操作系統(tǒng)會根據(jù)進程的狀態(tài)，管理其資源和執(zhí)行。進程控制塊(PCB)每個進程都有一個進程控制塊(PCB)，包含了進程的所有信息，例如進程ID、狀態(tài)、優(yōu)先級、內存地址等。線程管理線程概念輕量級進程,共享地址空間和資源.多線程模型用戶級線程,內核級線程,多對多模型.線程同步互斥鎖,條件變量,信號量.內存管理1內存分配為進程分配內存空間，以確保每個進程擁有足夠的內存來運行。2內存保護防止進程訪問其他進程的內存空間，確保系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。3內存回收當進程不再需要內存時，將其釋放回系統(tǒng)，以供其他進程使用。文件管理文件組織文件系統(tǒng)以樹狀結構組織文件，方便查找和管理。訪問控制操作系統(tǒng)提供權限控制機制，保護文件安全。數(shù)據(jù)備份定期備份文件，防止數(shù)據(jù)丟失。設備管理硬件資源管理設備管理負責控制和分配計算機系統(tǒng)的硬件資源，包括輸入設備、輸出設備、存儲設備等。設備驅動程序設備驅動程序是操作系統(tǒng)與硬件設備之間的橋梁，負責與特定設備進行交互。設備獨立性設備管理提供設備獨立性，使應用程序能夠以統(tǒng)一的方式訪問不同的硬件設備。資源分配和調度設備管理負責分配和調度硬件資源，確保不同應用程序之間的公平訪問。輸入輸出管理輸入設備鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備顯示器、打印機、揚聲器等。存儲設備硬盤、光驅、U盤等。進程調度算法先到先服務(FCFS)按照進程到達的順序進行調度。簡單易實現(xiàn)，但可能導致較長的等待時間，因為短進程會被長進程阻塞。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇預計執(zhí)行時間最短的進程進行調度?？梢宰钚』骄却龝r間，但需要預知進程執(zhí)行時間，這在實際應用中很難實現(xiàn)。優(yōu)先級調度根據(jù)每個進程的優(yōu)先級進行調度，高優(yōu)先級進程優(yōu)先運行。易于實現(xiàn)，但可能導致優(yōu)先級高的進程長期占用CPU，導致低優(yōu)先級進程餓死。時間片輪轉每個進程分配一個時間片，每個時間片內，進程可以執(zhí)行，時間片用完后，換下一個進程執(zhí)行。可以實現(xiàn)公平性和交互性，但需要較高的系統(tǒng)開銷。內存分配方式1連續(xù)分配每個進程占用內存中連續(xù)的地址空間，簡單易實現(xiàn)，但容易出現(xiàn)內存碎片。2分頁分配將內存劃分成固定大小的頁面，每個進程可以分配多個頁面，可以有效解決內存碎片問題。3分段分配將進程的地址空間劃分為多個邏輯段，每個段可以分配不同的內存空間，方便用戶編程和數(shù)據(jù)管理。虛擬內存技術擴展內存容量虛擬內存允許操作系統(tǒng)使用比物理內存更大的地址空間，從而運行更大的程序或處理更多數(shù)據(jù)。多道程序設計多個程序可以同時運行，即使它們總共需要的內存空間超過了物理內存的容量。提高系統(tǒng)效率虛擬內存通過將部分程序和數(shù)據(jù)暫時存儲在磁盤上，減少了內存競爭，提高了系統(tǒng)效率。文件系統(tǒng)結構層次結構將文件組織成樹形結構，便于管理和查找目錄作為文件的容器，包含子目錄和文件文件存儲數(shù)據(jù)的基本單位，包含文件名、大小、類型和權限等信息磁盤調度算法先來先服務(FCFS)按照請求到達的順序處理磁盤請求。最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)選擇距離當前磁頭最近的請求。掃描(SCAN)磁頭從當前位置開始掃描整個磁盤，并按順序處理請求。循環(huán)掃描(C-SCAN)掃描完成后，磁頭從磁盤的另一端開始再次掃描。設備驅動程序1硬件抽象層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件差異。2操作系統(tǒng)接口與操作系統(tǒng)內核交互，完成設備管理功能。3硬件控制直接控制設備的寄存器和硬件操作。并發(fā)控制機制互斥確保在任何時刻只有一個進程可以訪問臨界資源，防止數(shù)據(jù)不一致。同步協(xié)調多個進程的執(zhí)行順序，確保它們按照預期順序訪問共享資源。數(shù)據(jù)一致性保證共享數(shù)據(jù)的一致性和完整性，避免數(shù)據(jù)沖突和錯誤。死鎖的處理死鎖檢測使用算法定期檢測系統(tǒng)是否存在死鎖，并采取相應的措施。死鎖預防通過破壞死鎖產生的必要條件，例如資源分配順序、互斥、占有和等待、循環(huán)等待等，來預防死鎖。死鎖恢復當死鎖發(fā)生時，采取措施解除死鎖，例如撤銷進程、搶占資源、回滾操作等。分頁和分段技術將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁面將邏輯地址空間劃分為大小可變的段物理內存也劃分為大小相等的頁框頁面置換算法1最佳置換算法(OPT)該算法選擇將來最長時間不會被訪問的頁面進行替換，能獲得最低的缺頁率。然而，它無法在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)，因為無法預測未來的訪問模式。2先進先出(FIFO)該算法選擇最早進入內存的頁面進行替換，簡單易行，但可能導致頻繁替換經常被訪問的頁面，造成性能下降。3最近最少使用(LRU)該算法選擇最近最少使用的頁面進行替換，通常能取得較好的性能，但需要維護一個頁面訪問時間表。4時鐘算法(CLOCK)該算法是一種近似LRU的算法，通過設置一個循環(huán)指針和一個引用位來跟蹤頁面使用情況，實現(xiàn)高效的頁面置換。文件分配方式連續(xù)分配文件在磁盤上連續(xù)存放，簡單易實現(xiàn)，但易產生碎片問題。鏈接分配文件存放位置不連續(xù)，使用指針鏈接文件塊，克服碎片問題，但文件訪問效率較低。索引分配每個文件建立索引塊，記錄文件塊在磁盤上的物理位置，提高文件訪問效率，但索引塊占用空間較多。文件目錄結構樹形結構文件目錄通常采用樹形結構，其中根目錄位于樹的頂端，其他目錄和文件作為分支展開。路徑名每個文件和目錄都有一個唯一的路徑名，用于標識其在目錄樹中的位置。目錄操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、重命名目錄以及在目錄中添加或刪除文件等操作。設備I/O控制方式程序控制方式CPU直接控制設備進行數(shù)據(jù)傳輸，效率低，但簡單易實現(xiàn)。中斷驅動方式設備完成操作后，向CPU發(fā)出中斷請求，提高CPU利用率。DMA方式直接內存存取，無需CPU干預，高效，適用于高速設備。通道方式專門的硬件通道負責設備控制，CPU只負責總體控制，提高系統(tǒng)效率。緩沖區(qū)管理減少I/O次數(shù)緩沖區(qū)可以將數(shù)據(jù)集中到一起，一次性進行I/O操作，減少I/O的次數(shù)，提高效率。提高CPU利用率CPU不必等待I/O操作完成，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務，提高CPU的利用率。數(shù)據(jù)共享多個進程可以共享同一個緩沖區(qū)，方便進程之間進行數(shù)據(jù)交換。實時操作系統(tǒng)實時性實時操作系統(tǒng)對時間敏感，必須在嚴格的時間限制內響應事件。確定性實時操作系統(tǒng)必須提供可預測的性能，以確保系統(tǒng)按預期運行?？煽啃詫崟r操作系統(tǒng)需要高度的可靠性，以防止系統(tǒng)故障導致災難性后果。嵌入式操作系統(tǒng)專用性針對特定硬件平臺和應用場景設計，例如汽車、手機、機器人。資源受限內存、存儲空間、處理能力有限，需要精簡設計和優(yōu)化。實時性對時間響應要求嚴格，例如工業(yè)控制系統(tǒng)和醫(yī)療設備。異常和中斷處理異常處理程序運行期間出現(xiàn)的錯誤，例如除以零、數(shù)組越界等。中斷處理由硬件或軟件事件引起的程序暫停，例如時鐘中斷、磁盤中斷等。系統(tǒng)調用用戶程序向操作系統(tǒng)請求服務的機制，例如文件操作、內存分配等。系統(tǒng)安全機制訪問控制限制對系統(tǒng)資源的訪問，例如文件、程序和硬件。這可以防止未經授權的用戶訪問敏感信息或更改系統(tǒng)配置。身份驗證驗證用戶的身份，確保只有授權用戶才能訪問系統(tǒng)資源。常見的身份驗證方法包括用戶名密碼、生物識別和多因素身份驗證。數(shù)據(jù)加密將敏感數(shù)據(jù)加密以防止未經授權的訪問。加密算法使用密鑰對數(shù)據(jù)進行編碼，只有擁有正確密鑰的人才能解密數(shù)據(jù)。安全審計跟蹤系統(tǒng)活動以檢測潛在的安全威脅。審計日志記錄用戶操作、系統(tǒng)事件和錯誤，以便在發(fā)生安全事件時進行調查。操作系統(tǒng)性能評價5指標3方法1工具操作系統(tǒng)性能評價是衡量操作系統(tǒng)效率和有效性的關鍵。通過性能指標的測量和分析，我們可以優(yōu)化系統(tǒng)資源利用，提高系統(tǒng)響應速度，提升用戶體驗。未來操作系統(tǒng)趨勢1云原生云計算、容器化和微服務架構的興起2人工智能機器學習和深度學習技術融入操作系統(tǒng)