操作系统原理与应用操作系统引论课件

操作系统原理与应用-操作系统引论课件目录CONTENTS引言进程管理内存管理文件系统设备管理系统调用与用户界面安全与保护机制01CHAPTER引言03操作系统是一种抽象机器，它简化了硬件细节，使得用户可以使用高级语言编写程序，并提供了易于使用的服务。01操作系统是一种计算机系统软件，它是计算机系统的核心，负责管理和控制计算机系统的硬件和软件资源。02操作系统是一种用户界面，用户可以通过它来使用计算机系统。什么是操作系统01在20世纪60年代，操作系统的功能开始扩展，包括文件系统、进程管理、内存管理等。在20世纪70年代，出现了分时操作系统和实时操作系统，这些操作系统可以同时处理多个任务，并且可以保证任务的及时性。在20世纪80年代，微机操作系统开始流行，这些操作系统可以在个人计算机上运行，并且提供了图形用户界面。操作系统的起源可以追溯到20世纪50年代，当时计算机系统主要用于科学计算和数据处理。020304操作系统的历史与发展进程管理：进程是计算机中的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。内存管理：内存管理负责分配和释放内存空间，并确保各个进程能够安全地访问它们所需的内存空间。设备驱动程序：设备驱动程序负责与计算机硬件交互，并允许操作系统访问硬件设备。文件系统：文件系统负责管理文件和目录，并提供一个简单的接口来访问文件和目录。操作系统的基本功能包括进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动程序等。操作系统的基本功能与组成02CHAPTER进程管理进程定义进程是计算机中的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程特性进程具有独立性、动态性、并发性和异步性等特性。进程的状态进程在运行过程中会处于不同的状态，如就绪状态、等待状态和运行状态等。进程的概念与特性进程可以通过系统调用创建新的进程，实现并发执行。进程创建当进程完成或出现错误时，系统会终止该进程。进程终止进程的创建与终止VS进程之间需要进行同步以确保正确地执行任务，如使用信号量和条件变量等同步机制。进程通信进程之间需要进行通信以共享数据和信息，如使用消息队列、管道等通信机制。进程同步进程的同步与通信03CHAPTER内存管理123固定分区分配定义：将物理内存分为固定大小的区域，每个区域分配给一个进程优点：简单易行，适用于小规模系统内存的分配与回收缺点：分区数量有限，且易造成内存浪费动态分区分配定义：在进程运行时，根据进程需要动态地分配和回收内存空间内存的分配与回收优点可避免内存浪费，能满足大规模系统的需求缺点实现复杂，需要额外的空间管理开销内存的分配与回收内存的分配与回收01页式管理02定义：将内存分为固定大小的页，每个页对应一个物理内存地址03优点：可实现内存的动态分配和回收，能满足大规模系统的需求缺点：需要额外的空间管理开销，且页式管理对程序的地址空间有一定限制内存的分配与回收01段式管理02定义：将内存分为固定大小的段，每个段对应一个逻辑地址空间03优点：可实现内存的动态分配和回收，能满足大规模系统的需求04缺点：需要额外的空间管理开销，且段式管理对程序的地址空间有一定限制内存的分配与回收虚拟内存的概念优点：可扩大程序的地址空间，提高内存利用率，减少内存碎片定义：将内存分为多个区域，每个区域都有自己的地址空间，称为虚拟地址空间虚拟内存的概念与实现缺点：需要额外的空间管理开销，且可能导致页交换和页缺失等问题虚拟内存的实现方式请求分页：当程序需要访问的页面不在内存中时，产生缺页中断，将所需页面加载到内存中010203虚拟内存的概念与实现根据程序运行的规律，提前将可能使用的页面加载到内存中，以减少缺页中断的次数当内存已满时，将一些暂时不用的页面替换出去，以腾出空间加载新的页面预取页面置换页面虚拟内存的概念与实现内存保护的概念定义：每个进程都有自己的虚拟地址空间，且不允许其他进程访问或修改自己的虚拟地址空间优点：保护每个进程的代码和数据不受干扰和破坏，确保程序的正确性和安全性内存保护与共享内存共享的概念定义：多个进程可以共享相同的物理内存页或段，以实现数据共享和通信缺点：可能导致进程之间的通信和共享变得复杂和困难内存保护与共享优点减少重复内存的开销，方便进程之间的数据共享和通信要点一要点二缺点可能导致数据不一致性和安全性问题，需要采取额外的保护措施内存保护与共享04CHAPTER文件系统文件系统定义文件系统是操作系统中用于管理数据存储、检索和管理的软件工具。它提供了统一的接口，使得用户可以方便地创建、读取、写入、删除文件和目录。文件系统结构文件系统通常采用树状结构，由根目录（rootdirectory）开始，下面可以包含子目录和文件。每个文件和目录都有一个唯一的名称，以便于查找和管理。文件属性每个文件和目录通常都包含一些属性，例如文件名、文件大小、创建时间、修改时间等。这些属性提供了关于文件和目录的重要信息。010203文件系统的基本概念与结构在文件系统中创建新文件需要使用特定的系统调用。通常，创建一个新文件需要提供文件名和打开文件的模式（例如，只读、只写或读写）。如果文件已经存在，打开文件的请求将失败。要读取或写入文件，需要使用特定的系统调用。例如，read()和write()系统调用分别用于从文件中读取数据和向文件中写入数据。在读取或写入数据时，还需要指定要读取或写入的字节数。删除文件需要使用特定的系统调用，例如unlink()系统调用。删除文件后，该文件将从文件系统中消失，并且无法再访问该文件。请注意，删除文件并不意味着立即删除文件的内容，而是删除文件的元数据（例如，文件名和属性），以便操作系统可以释放该文件占用的资源。文件创建文件读写文件删除文件的创建、读写与删除文件系统安全为了保护文件免受未经授权的访问和修改，文件系统提供了访问控制机制，例如权限设置。通过为每个用户分配不同的访问权限，可以确保只有经过授权的用户才能访问特定的文件和目录。文件系统优化为了提高文件系统的性能和效率，可以采用一些优化技术，例如索引、缓存、压缩等。索引可以加快文件的查找速度；缓存可以减少对磁盘的访问次数；压缩可以减小文件的大小，从而节省存储空间。文件系统的安全与优化05CHAPTER设备管理设备驱动程序的概念设备驱动程序是操作系统内核的一部分，它负责与特定类型的物理设备进行交互。它为上层应用程序提供了一种便捷的方式来与设备进行通信，隐藏了设备操作的细节。设备驱动程序的作用设备驱动程序的主要作用是管理物理设备，包括设备的初始化、配置、控制和监控。它还负责处理设备的中断请求，将中断请求传递给相应的处理程序，确保设备的正确操作和数据的可靠传输。设备驱动程序的概念与作用根据设备的性质和功能，可以将设备分为多种类型，如输入输出设备、存储设备和处理器等。这些设备还可以进一步细分为更多的类别，例如硬盘驱动器、光盘驱动器、打印机、显示器等。设备的分类为了对设备进行管理和操作，每个设备都需要有一个唯一的标识符。在大多数操作系统中，这些标识符是设备文件名，它们被存储在设备目录中。通过使用这些标识符，操作系统可以识别和管理各种设备。设备的标识设备的分类与标识I/O操作的实现I/O操作是指数据的输入和输出操作，例如从键盘读取输入或将数据写入到打印机。操作系统通过使用一系列的I/O指令来执行这些操作，这些指令被发送到设备驱动程序，然后由设备驱动程序控制设备的操作。I/O控制为了确保I/O操作的正确性和可靠性，操作系统需要实施一些控制机制。这些机制包括缓冲、共享、轮询和异步I/O等。缓冲可以减少I/O操作之间的等待时间，共享允许多个进程使用相同的设备，轮询可以检测设备的状态并处理等待时间，异步I/O允许设备在后台进行操作而不会阻塞主程序。I/O操作的实现与控制06CHAPTER系统调用与用户界面系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，使得应用程序能够与内核进行交互，实现特定的系统功能。系统调用的概念系统调用可以分为多种类型，如文件操作类、进程控制类、网络通信类等，每种类型对应不同的系统功能。系统调用的分类系统调用的概念与分类VS应用程序通过系统调用的注册机制向内核注册所需的功能，并传递相关的参数。系统调用的调度机制当应用程序发起系统调用时，内核会根据调度算法选择相应的进程或线程执行该系统调用，并完成相应的操作。系统调用的注册机制系统调用的实现机制用户界面的设计原则用户界面应该简单明了、易于使用、符合用户习惯，同时应该提供丰富的系统信息和操作选项，以满足用户的需求。用户界面的实现技术用户界面可以通过多种技术实现，如命令行界面、图形界面等，每种技术都有其优缺点和适用场景。用户界面的设计与实现07CHAPTER安全与保护机制操作系统面临的恶意软件威胁，如病毒、蠕虫、特洛伊木马等，需要采取有效的防护措施，如反病毒软件、防火墙等。恶意软件拒绝服务攻击是一种使计算机系统无法正常运行的技术，需要采取防范措施，如限制网络流量、检测和删除恶意进程等。拒绝服务攻击缓冲区溢出是一种常见的安全威胁，攻击者可以通过溢出操作系统的缓冲区来获取控制权，需要采取防范措施，如使用安全的编程语言、限制输入长度等。缓冲区溢出操作系统的安全威胁与防护身份认证是操作系统对用户进行身份验证的过程，以确保用户具有足够的权限来访问系统资源。常见的身份认证方式包括用户名和密码、智能卡、生物识别技术等。访问控制是操作系统对用户访问系统资源的权限进行控制的过程。常见的访问控制策略包括基于角色的访问控制、基于属性的访问控制