操作系统原理与实例分析课件

操作系统原理与实例分析CATALOGUE目录操作系统概述进程管理内存管理文件系统设备管理实例分析：Linux操作系统实例分析：Windows操作系统01操作系统概述操作系统是一种计算机系统软件，它负责管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供方便、有效的服务。操作系统是计算机系统的核心，它扮演着系统管理和资源分配的角色，确保计算机系统的稳定、安全和高效运行。操作系统的定义和作用作用定义操作系统能够同时处理多个任务，这些任务可以是用户程序、系统进程或外部设备请求。并发性操作系统管理下的硬件和软件资源可以被多个用户和应用程序共享使用，实现资源的高效利用。共享性操作系统通过虚拟化技术将硬件资源抽象成逻辑资源，提供给用户和应用程序使用，增强系统的灵活性和可扩展性。虚拟性操作系统采取一系列安全措施，如访问控制、身份认证等，确保系统数据的安全性和完整性。安全性操作系统的基本特征适用于大规模数据处理任务，能够将多个作业批量处理，提高系统效率。批处理操作系统分时操作系统实时操作系统允许多个用户同时使用计算机系统，每个用户都可以在自己的终端上独立操作，实现人机交互。适用于需要快速响应的控制系统和嵌入式系统，能够实时响应外部事件并执行相应的任务。030201操作系统的分类02进程管理进程代表了一个程序的执行实例，包括代码、数据和系统资源（如内存、文件、设备等）。进程具有独立性、异步性和并发性等特点。进程是操作系统进行资源分配的基本单位，也是操作系统结构的基础。进程的概念进程可以通过系统调用创建新的进程，如fork()、exec()等。进程也可以通过系统调用终止，如exit()。进程在完成任务或出现错误时，操作系统也可以终止进程。进程的创建与终止操作系统通过信号量、互斥锁、条件变量等机制实现进程同步。进程同步包括消息传递、共享内存等机制，如管道、FIFO、消息队列、共享内存等。进程通信进程的同步与通信VS死锁是指两个或多个进程在等待对方释放资源，导致系统进入不响应状态。解决死锁的常见方法包括避免循环等待、按顺序分配资源、设定超时时间等。死锁问题及解决03内存管理静态内存分配在程序编译时分配内存，运行时不能改变。优点是内存使用效率高，缺点是不够灵活，不能适应程序动态运行时的内存需求。动态内存分配在程序运行时根据需要动态分配内存空间。优点是可以根据程序运行时的需求灵活分配内存，缺点是内存使用效率较低。常见的动态内存分配算法有伙伴系统、最先适应算法、最佳适应算法等。内存回收当程序不再使用某块内存时，操作系统需要将其回收以便重新分配给其他程序使用。常见的内存回收算法有标记-清除算法、复制算法、移动算法等。内存分配与回收虚拟内存的基本思想01将内存看作是磁盘的缓存，通过将内存和磁盘的统一管理，实现内存空间的扩大。虚拟内存的地址映射02通过将虚拟地址映射到物理地址来实现对物理内存的访问。操作系统需要维护一个页表（pagetable）来记录虚拟地址和物理地址的映射关系。页面置换算法03当需要访问的页面不在内存中时，操作系统需要将其置换出来，以便为新页面腾出空间。常见的页面置换算法有最近最少使用（LRU）算法、先进先出（FIFO）算法、最优算法等。虚拟内存技术页式内存管理的基本思想将内存划分成若干个固定大小的页，每个页对应一个物理内存地址。同时将进程的地址空间划分成若干个页，每个页对应一个虚拟内存地址。页表的建立与维护操作系统通过维护一个页表来记录虚拟地址和物理地址的映射关系。当进程需要访问某个虚拟地址时，操作系统通过查找页表来获取相应的物理地址。缺页中断处理当进程需要访问的页面不在内存中时，操作系统会产生一个缺页中断，并将该页面加载到内存中。缺页中断处理过程中需要考虑页面置换算法和页面的读写权限等问题。页式内存管理010203段式内存管理的基本思想将内存划分成若干个段，每个段对应一个连续的物理内存地址。同时将进程的地址空间划分成若干个段，每个段对应一个虚拟内存地址。段的映射与访问控制操作系统通过维护一个段表来记录虚拟地址和物理地址的映射关系，并控制对各个段的访问权限。当进程需要访问某个虚拟地址时，操作系统通过查找段表来获取相应的物理地址，并根据访问权限来判断访问是否合法。段的移动和共享段式内存管理支持段的移动和共享。通过将不常用的段移动到磁盘上，可以腾出物理内存空间供其他进程使用；通过共享段可以减少重复的内存空间浪费。段式内存管理04文件系统文件系统是一种在存储设备上组织和管理数据的方法，它涉及数据的存储、检索和保护。文件系统定义文件系统通常采用树状结构，由根目录开始，各级目录像树枝一样分支。文件系统结构文件系统支持多种类型的文件，包括文本文件、二进制文件、图像文件等。文件类型文件系统的概念与结构通过打开或创建一个新的文件，并向其中写入数据来创建文件。文件创建使用文件系统提供的API可以读取和写入文件内容。文件读写通过将文件的目录项设置为无效，从而将文件从文件系统中删除。文件删除文件的创建、读写与删除存储空间优化通过合理地组织和分配存储空间，可以提高磁盘I/O性能和空间利用率。存储空间分配文件系统通常使用分配表或位图来管理磁盘空间的分配。垃圾回收对于不再使用的文件，文件系统会定期进行垃圾回收，释放占用的存储空间。文件的存储空间管理通过设置文件的访问权限，可以限制用户对文件的访问。访问控制为防止数据丢失，需要对重要文件进行备份，并能在需要时进行恢复。备份与恢复安装防病毒软件可以检测和清除病毒，保护文件免受病毒的侵害。防病毒保护文件的安全性05设备管理设备管理的概念设备管理是指对计算机系统中各类设备进行管理的过程，包括硬件设备、外部设备和软件设备。设备管理的任务设备管理的任务包括对设备进行监测、维护、控制和管理，确保设备的正常运行，为系统提供可靠、高效的硬件支持。设备管理的概念与任务程序控制方式在程序控制方式中，CPU通过I/O指令向设备发送数据或控制信号，设备在接收到信号后进行相应的操作，并返回结果给CPU。直接存取方式直接存取方式是指设备通过直接读写数据块的方式进行数据传输，这种方式可以减少CPU的介入，提高数据传输效率。缓冲技术缓冲技术是指在数据传输过程中，使用缓冲区来暂存数据，以减少CPU和设备之间的数据传输次数，提高数据传输效率。010203输入/输出控制方式中断处理中断处理是指当设备完成一项任务或发生错误时，向CPU发送中断信号，CPU在接收到信号后暂停当前任务，保存现场，转而执行相应的中断处理程序。缓冲技术缓冲技术是指在数据传输过程中，使用缓冲区来暂存数据，以减少CPU和设备之间的数据传输次数，提高数据传输效率。常见的缓冲技术包括输入输出缓冲和读写缓冲。中断处理与缓冲技术磁盘调度磁盘调度是指根据一定的策略和优先级，对磁盘I/O请求进行排序和优化，以减少磁盘的访问延迟和I/O冲突。常见的磁盘调度算法包括先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法等。磁盘管理磁盘管理是指对磁盘空间进行管理和优化，包括分区管理、文件系统管理、磁盘配额等。通过合理的磁盘管理，可以提高磁盘的利用率和性能。磁盘调度与管理06实例分析：Linux操作系统开放源代码Linux是开放源代码的操作系统，任何人都可以获取并修改源代码。自由分发Linux操作系统可以自由分发，任何人都可以下载和使用免费的Linux版本。支持多用户Linux支持多用户同时使用，具有良好的用户界面和命令行界面。强大的网络功能Linux具有强大的网络功能，支持各种网络协议和网络工具。Linux操作系统的特点和结构进程的创建和管理Linux通过fork()系统调用创建新进程，使用exec()系统调用来执行新的程序。进程可以通过exit()系统调用来结束执行。进程的状态Linux中的进程有三种状态：运行状态、就绪状态和阻塞状态。进程在运行状态时可以执行程序，就绪状态时等待CPU分配时间片，阻塞状态时等待某个事件发生。进程调度Linux使用优先级调度法来分配CPU，每个进程都有相应的优先级，系统根据优先级决定哪个进程使用CPU。Linux进程管理虚拟内存Linux使用虚拟内存技术，将内存分为内核空间和用户空间两部分。用户空间可以访问虚拟内存，但内核空间不能访问用户空间的虚拟内存。Linux使用malloc()和free()函数来分配和释放动态内存。动态内存分配是在堆上进行的，释放后需要手动释放内存。Linux对内存进行了保护，每个进程都有自己的内存空间，不能访问其他进程的内存空间。这样可以防止程序访问非法内存地址，保证系统的安全性和稳定性。内存分配和释放内存保护Linux内存管理Linux文件系统采用树形结构，根目录为“/”。每个文件或目录都有一个对应的权限标志，可以设置读、写、执行等权限。文件系统结构Linux文件类型包括普通文件、目录文件、符号链接文件、设备文件等。每种类型的文件都有不同的访问方式和操作方法。文件类型Linux设备管理主要包括设备的驱动程序和设备的配置管理。驱动程序负责设备的控制和操作，配置管理负责设备的配置和维护。设备管理Linux文件系统与设备管理07实例分析：Windows操作系统图形用户界面多任务处理多窗口管理丰富的软件支持Windows操作系统的特点和结构01020304Windows操作系统采用图形用户界面，使用户能够直观地操作计算机。Windows能够同时执行多个应用程序，提高计算机的利用率。Windows提供了多个窗口管理工具，使用户能够方便地在不同窗口之间进行切换和操作。Windows拥有庞大的软件生态系统，用户可以轻松地获取各种类型的软件。进程定义与控制Windows采用多线程技术，将CPU的时间分配给各个线程，实现程序的并发执行。线程调度任务调度Windows使用任务调度器来分配CPU资源，确保各个进程能够公平地分享CPU时间。Windows操作系统通过进程对象来标识和组织运行中的程序，每个进程都有一个独立的地址空间和系统资源。Windows进程管理01Windows使用分页和分段技术来管理内存，将虚拟地址空间映射到物理内存地址。分页与分段02Windows使用内存管理器来分配和回收内存资源，确保程序的正常运行。内存分