《操作系統(tǒng)引論》課件

操作系統(tǒng)引論操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)管理和控制硬件資源，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)本課程旨在深入探討操作系統(tǒng)的基本概念、核心機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)。課程內(nèi)容涵蓋進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等核心內(nèi)容，以及操作系統(tǒng)安全和保護(hù)機(jī)制。學(xué)習(xí)方式通過課堂講授、課后練習(xí)、項(xiàng)目實(shí)踐等多種形式，幫助學(xué)生掌握操作系統(tǒng)原理和應(yīng)用。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)硬件組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)包含CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備等硬件組件，它們共同協(xié)作執(zhí)行任務(wù)。指令集指令集定義了處理器可執(zhí)行的指令類型，決定了程序執(zhí)行的效率和功能。數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路描述了數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)組件之間傳輸?shù)穆窂胶头绞?。軟件架?gòu)軟件架構(gòu)定義了操作系統(tǒng)如何組織和管理硬件資源，為應(yīng)用程序提供服務(wù)。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的軟件系統(tǒng)。它為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，方便用戶使用計(jì)算機(jī)資源。功能操作系統(tǒng)的主要功能包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理和設(shè)備管理。它負(fù)責(zé)調(diào)度進(jìn)程，分配內(nèi)存，管理文件和設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。操作系統(tǒng)發(fā)展歷程1第一代（1945-1955）以機(jī)器語(yǔ)言編程，批處理系統(tǒng)。2第二代（1955-1965）匯編語(yǔ)言，多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。3第三代（1965-1980）高級(jí)語(yǔ)言，分時(shí)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)開始發(fā)展成熟。4第四代（1980-現(xiàn)在）圖形用戶界面，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，移動(dòng)操作系統(tǒng)，云計(jì)算。操作系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從單一功能到多功能，從批處理到交互式，從集中式到分布式，從單用戶到多用戶，從簡(jiǎn)單的系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng)的演變。操作系統(tǒng)的分類1批處理操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)一次處理多個(gè)作業(yè)，無需用戶直接干預(yù)。2分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶共享計(jì)算機(jī)資源，并提供交互式環(huán)境。3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求在特定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)事件做出及時(shí)響應(yīng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)。4網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)資源，支持文件共享、遠(yuǎn)程訪問和通信。進(jìn)程的概念獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位，擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間、文件資源等。動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程進(jìn)程是程序在內(nèi)存中的執(zhí)行過程，包含程序代碼、數(shù)據(jù)以及程序執(zhí)行時(shí)的環(huán)境信息。多任務(wù)處理操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。并發(fā)執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程可以共享CPU時(shí)間片，實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行，為用戶提供交互式體驗(yàn)。進(jìn)程狀態(tài)圖進(jìn)程狀態(tài)圖描述進(jìn)程在生命周期中所處的不同狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。常見的進(jìn)程狀態(tài)包括：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)。運(yùn)行態(tài)：進(jìn)程正在CPU上執(zhí)行。就緒態(tài)：進(jìn)程已準(zhǔn)備好運(yùn)行，但正在等待CPU資源。阻塞態(tài)：進(jìn)程因等待某個(gè)事件（例如I/O操作完成）而無法運(yùn)行，處于阻塞狀態(tài)。進(jìn)程控制塊進(jìn)程信息包含進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、進(jìn)程狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)等信息。程序代碼存儲(chǔ)進(jìn)程執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)。內(nèi)存資源記錄進(jìn)程在內(nèi)存中的地址空間和分配情況。CPU資源記錄進(jìn)程使用的CPU時(shí)間、IO時(shí)間等資源信息。進(jìn)程調(diào)度算法調(diào)度目標(biāo)提高CPU利用率，縮短平均周轉(zhuǎn)時(shí)間，降低系統(tǒng)開銷，提高響應(yīng)時(shí)間，保證公平性。調(diào)度算法類型先來先服務(wù)（FCFS），最短作業(yè)優(yōu)先（SJF），優(yōu)先級(jí)調(diào)度，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度。算法選擇根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇合適的算法，例如，實(shí)時(shí)系統(tǒng)更注重響應(yīng)時(shí)間，批處理系統(tǒng)更注重吞吐量。進(jìn)程同步問題資源共享多個(gè)進(jìn)程可能需要訪問共享資源，例如打印機(jī)或文件?；コ庠L問一次只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問共享資源，以防止數(shù)據(jù)不一致。進(jìn)程通信進(jìn)程需要相互通信才能協(xié)調(diào)活動(dòng)，例如交換數(shù)據(jù)或同步操作。死鎖多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。臨界區(qū)和互斥臨界區(qū)臨界區(qū)是指一段代碼，它訪問共享資源。在多線程環(huán)境中，如果多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。臨界區(qū)就是為了防止這種數(shù)據(jù)不一致而設(shè)置的?；コ饣コ馐侵冈谕粫r(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問臨界區(qū)?；コ饪梢员ＷC每個(gè)線程在訪問共享資源時(shí)，都能獲得一致的數(shù)據(jù)。同步機(jī)制1信號(hào)量信號(hào)量是一種常用的同步機(jī)制，用于控制對(duì)共享資源的訪問。2管程管程提供了一種更高級(jí)的同步機(jī)制，它將共享資源和對(duì)資源的訪問操作封裝在一起。3互斥鎖互斥鎖是一種簡(jiǎn)單的同步機(jī)制，用于確保一次只有一個(gè)進(jìn)程或線程可以訪問共享資源。4條件變量條件變量用于通知等待進(jìn)程或線程共享資源的狀態(tài)變化。死鎖概念死鎖定義死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而陷入僵局，互相等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖特點(diǎn)相互等待資源不可剝奪環(huán)路等待死鎖危害死鎖會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。進(jìn)程無法正常運(yùn)行，資源利用率降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。死鎖的必要條件1互斥條件每個(gè)資源只能被一個(gè)進(jìn)程占用。2占有并請(qǐng)求條件進(jìn)程已經(jīng)占有至少一個(gè)資源，正在請(qǐng)求另一個(gè)資源。3不可搶占條件進(jìn)程不能從其他進(jìn)程中搶占資源。4循環(huán)等待條件存在一個(gè)循環(huán)等待的進(jìn)程鏈，每個(gè)進(jìn)程都在等待鏈中下一個(gè)進(jìn)程占有的資源。死鎖的預(yù)防和避免1預(yù)防通過修改系統(tǒng)資源分配策略，防止死鎖發(fā)生。例如，一次性分配所有資源，禁止資源請(qǐng)求的循環(huán)依賴關(guān)系。2避免在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)狀態(tài)，避免死鎖的發(fā)生。例如，銀行家算法，保證系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。3比較預(yù)防方法過于嚴(yán)格，可能導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率降低。避免方法更靈活，但需要更復(fù)雜的算法。死鎖的檢測(cè)和解決死鎖檢測(cè)死鎖檢測(cè)是指在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過特定的算法來判斷系統(tǒng)中是否存在死鎖。檢測(cè)算法會(huì)分析系統(tǒng)資源分配情況，判斷是否有進(jìn)程處于等待狀態(tài)，并檢查是否存在循環(huán)等待關(guān)系。死鎖解決如果檢測(cè)到死鎖，需要采取措施來解除死鎖。常見的解決方法包括：撤銷進(jìn)程、搶占資源、回滾操作等。選擇合適的解決方法要綜合考慮系統(tǒng)性能、資源利用率和用戶需求。存儲(chǔ)管理概述內(nèi)存管理管理內(nèi)存資源分配和回收。磁盤管理管理磁盤空間分配和回收。虛擬內(nèi)存使用硬盤空間擴(kuò)展內(nèi)存容量。文件管理管理文件存儲(chǔ)、訪問和組織。內(nèi)存分配策略連續(xù)分配連續(xù)分配是將內(nèi)存空間劃分為若干個(gè)大小不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域只能被一個(gè)進(jìn)程占用。這種方式簡(jiǎn)單易懂，但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題，浪費(fèi)內(nèi)存空間。分頁(yè)式分配分頁(yè)式分配將內(nèi)存和進(jìn)程都劃分為大小相同的頁(yè)面，可以將進(jìn)程分散存儲(chǔ)在不同的頁(yè)面中。這種方式可以有效解決內(nèi)存碎片問題，但需要增加頁(yè)表來管理頁(yè)面映射關(guān)系，增加了系統(tǒng)開銷。段式分配段式分配將進(jìn)程劃分為邏輯上的段，每個(gè)段代表程序的一個(gè)功能模塊，可以方便模塊化的程序設(shè)計(jì)。這種方式靈活，但需要建立段表來管理段映射關(guān)系，增加了系統(tǒng)開銷。頁(yè)式-段式分配頁(yè)式-段式分配結(jié)合了分頁(yè)和段式分配的優(yōu)點(diǎn)，將進(jìn)程劃分成段，并將每個(gè)段再劃分成頁(yè)。這種方式可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的內(nèi)存管理，但需要建立頁(yè)表和段表來管理映射關(guān)系，增加了系統(tǒng)開銷。虛擬內(nèi)存概念擴(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，提高程序運(yùn)行效率。硬盤作為擴(kuò)展內(nèi)存虛擬內(nèi)存利用硬盤作為輔助存儲(chǔ)器，將一部分程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上，需要時(shí)再加載到內(nèi)存中。頁(yè)面機(jī)制虛擬內(nèi)存采用頁(yè)面機(jī)制，將程序和數(shù)據(jù)劃分為固定大小的頁(yè)面，根據(jù)需要加載到內(nèi)存中。頁(yè)面置換算法FIFO先到先服務(wù)算法，最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面最先被替換，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。LRU最近最少使用算法，最長(zhǎng)時(shí)間未被訪問的頁(yè)面被替換，效率更高。OPT最佳置換算法，未來最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問的頁(yè)面被替換，理論最佳但難以實(shí)現(xiàn)。CLOCK時(shí)鐘算法，模擬時(shí)鐘指針，指向頁(yè)面，標(biāo)記引用位，被引用置1，未被引用置0，指針指向的頁(yè)面被替換。文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。它管理著存儲(chǔ)設(shè)備上的文件和目錄，并提供對(duì)文件的訪問和管理機(jī)制。文件系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供了一個(gè)抽象的接口，隱藏了底層存儲(chǔ)設(shè)備的細(xì)節(jié)，使應(yīng)用程序可以方便地創(chuàng)建、訪問、修改和刪除文件。主要功能文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)以下功能:文件存儲(chǔ)和管理文件訪問控制文件共享和同步文件備份和恢復(fù)存儲(chǔ)空間分配和管理文件的基本屬性文件名用于區(qū)分不同的文件，通常由字母、數(shù)字和特殊字符組成。文件大小以字節(jié)為單位，表示文件所占用的存儲(chǔ)空間大小。創(chuàng)建時(shí)間記錄文件創(chuàng)建的時(shí)間，用于追蹤文件的歷史。文件類型指示文件的類型，例如文本文件、圖像文件、可執(zhí)行文件等。文件訪問方式1順序訪問從文件開頭開始順序讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，無法直接訪問特定位置。2直接訪問允許用戶直接訪問文件任意位置，無需從開頭逐個(gè)讀取。3索引訪問通過索引號(hào)或鍵值來訪問文件中的特定記錄，實(shí)現(xiàn)快速查找。4混合訪問將以上訪問方式組合使用，根據(jù)不同需求進(jìn)行選擇。文件目錄結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)最常見的目錄結(jié)構(gòu)形式，將所有文件和目錄組織成樹狀結(jié)構(gòu)，由根目錄開始，每個(gè)目錄可以包含子目錄和文件。單級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，所有文件都放在同一個(gè)目錄下，沒有層次結(jié)構(gòu)，適用于小型系統(tǒng)。多級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，允許創(chuàng)建多個(gè)層次的目錄，便于組織和管理大量文件。設(shè)備管理概述硬件管理負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備，例如磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口等。操作系統(tǒng)會(huì)將這些設(shè)備抽象成邏輯設(shè)備，方便應(yīng)用程序訪問。資源分配分配硬件設(shè)備給不同的進(jìn)程使用。操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的策略，例如先來先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先等，來決定哪些進(jìn)程可以使用哪些設(shè)備。安全保護(hù)保護(hù)硬件設(shè)備免受非法訪問和破壞。操作系統(tǒng)會(huì)提供各種安全機(jī)制，例如訪問控制、權(quán)限管理等，來確保設(shè)備的正常使用。I/O子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11.用戶接口用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用與I/O子系統(tǒng)進(jìn)行交互。22.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序特定設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與特定類型設(shè)備通信。33.I/O控制模塊它管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、緩沖區(qū)、中斷處理等。44.設(shè)備包括磁盤、鍵盤、打印機(jī)等物理設(shè)備。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)算法按請(qǐng)求到達(dá)的順序服務(wù)，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致磁盤臂頻繁移動(dòng)，性能低。最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法每次選擇距離當(dāng)前磁頭最近的請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)，能有效減少磁盤臂移動(dòng)時(shí)間，但可能造成饑餓現(xiàn)象。掃描算法磁頭從一個(gè)方向掃描到另一方向，服務(wù)所有請(qǐng)求，可以避免饑餓現(xiàn)象，但可能造成局部性弱。循環(huán)掃描算法磁頭從一個(gè)方向掃描到另一方向，服務(wù)所有請(qǐng)求，但到達(dá)另一端后，立刻返回掃描，減少了空閑時(shí)間。安全性和保護(hù)機(jī)制用戶身份驗(yàn)證用戶身份驗(yàn)證確保系統(tǒng)資源只被授權(quán)用戶訪問。常見方法包括密碼驗(yàn)證、生物識(shí)別驗(yàn)證等。多因素身份驗(yàn)證可以增加安全性，要求用戶提供多種形