(2024年)操作系统基础第五版课件

操作系统基础第五版课件12024/3/26CATALOGUE目录操作系统概述进程管理内存管理文件系统设备管理操作系统安全22024/3/2601操作系统概述32024/3/26操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。定义提供计算机硬件与软件之间的接口；管理计算机资源；提供用户与计算机之间的接口。功能操作系统的定义与功能42024/3/26早期操作系统手工操作、批处理系统。现代操作系统分时系统、实时系统、网络操作系统、分布式操作系统等。发展趋势微内核、面向对象、分布式、智能化等。操作系统的历史与发展52024/3/26操作系统的分类与特点批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等。分类并发性、共享性、虚拟性、异步性等。其中，并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生；共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用；虚拟性是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物；异步性是指进程以人们不可预知的速度向前推进。特点62024/3/2602进程管理72024/3/26进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等基本特征。进程的定义进程在其生命周期内会经历多种状态，如创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和终止状态等。这些状态之间的转换由操作系统根据进程的执行情况和资源需求进行管理。进程的状态进程的概念与状态82024/3/26进程控制块（ProcessControlBlock，PCB）是操作系统中用于描述进程状态和特性的数据结构，它是进程存在的唯一标识。PCB的定义PCB通常包含进程标识符、处理机状态、进程调度信息和进程控制信息等内容。其中，进程标识符用于唯一标识一个进程；处理机状态记录了进程执行时的寄存器信息；进程调度信息包括进程的优先级、调度队列指针等；进程控制信息则包括程序和数据的地址空间、资源清单以及链接指针等。PCB的内容进程控制块PCB92024/3/26进程调度算法先来先服务（FCFS）算法：按照进程到达的先后顺序进行调度，先到达的进程先得到服务。这种算法简单易懂，但可能导致长作业等待时间过长。短作业优先（SJF）算法：根据进程的估计运行时间进行调度，选择估计运行时间最短的进程优先执行。这种算法有利于提高系统吞吐量，但对长作业不利。优先级调度算法：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先得到服务。这种算法可以灵活调整进程的优先级以满足不同需求，但需要合理设置优先级以避免饥饿现象。时间片轮转（RR）算法：将CPU时间划分为固定大小的时间片，每个进程轮流执行一个时间片。当时间片用完后，进程被放到就绪队列的末尾等待下一次调度。这种算法兼顾了短作业和长作业的需求，且响应时间较为均匀。102024/3/26进程同步多个进程在执行过程中需要协调其推进速度以共享资源或相互合作，这种协调称为进程同步。常见的同步机制包括信号量、管程和消息传递等。进程通信进程间通过某种手段交换信息的过程称为进程通信。常见的通信方式包括共享内存、消息队列、管道和套接字等。这些通信方式各有优缺点，适用于不同的应用场景和需求。进程同步与通信112024/3/2603内存管理122024/3/26动态分配程序在运行时根据需要动态申请或释放内存空间，操作系统提供相应的内存分配和回收机制。静态分配程序在编译或链接时确定内存需求，操作系统在程序装入内存时一次性分配所需内存空间，程序运行期间不再改变。内存碎片由于动态内存分配和回收可能导致内存中出现一些不连续的小块空闲内存，称为内存碎片。操作系统需要采取相应措施来减少内存碎片的产生。内存的分配与回收132024/3/26界限寄存器操作系统为每个进程设置一对界限寄存器，分别存储该进程在内存中的起始地址和结束地址。硬件在每次内存访问时检查访问地址是否越界，若越界则触发中断，保护内存安全。段式保护将程序的逻辑地址空间划分为多个段，每个段有自己的基址和长度。硬件在每次内存访问时检查访问地址是否在当前段的范围内，若不在则触发中断。页式保护将程序的逻辑地址空间和物理内存空间都划分为大小相等的页面。操作系统为每个进程建立页表，记录逻辑页面对应的物理页面。硬件在每次内存访问时通过页表进行地址转换，并检查访问权限。内存保护技术142024/3/26请求分页01将程序的逻辑地址空间划分为大小相等的页面，当程序需要访问某个页面时，若该页面不在内存中，则向操作系统发出缺页中断，操作系统将所需页面调入内存。请求分段02将程序的逻辑地址空间划分为多个段，每个段有自己的基址和长度。当程序需要访问某个段时，若该段不在内存中，则向操作系统发出缺段中断，操作系统将所需段调入内存。页面置换算法03当内存空间不足时，操作系统需要选择某个页面进行置换。常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）、最不经常使用（LFU）等。虚拟内存技术152024/3/26页面置换算法选择最近一段时间内被访问次数最少的页面进行置换。该算法考虑了页面的访问频率信息，但需要定期更新页面的访问计数信息。最不经常使用（LFU）算法选择最早进入内存的页面进行置换。该算法实现简单，但可能导致较高的页面缺失率。先进先出（FIFO）算法选择最近最长时间未被访问的页面进行置换。该算法能够较好地反映程序的局部性原理，但需要维护页面的访问历史信息。最近最久未使用（LRU）算法162024/3/2604文件系统172024/3/26文件的概念文件是操作系统中进行数据存储和管理的基本单位，它是一段具有特定名称的、可寻址的、可操作的、可管理的数据集合。文件的类型根据文件的性质和用途，文件可分为普通文件、目录文件、特殊文件等。普通文件是用户通常意义上的文件，用于存储数据；目录文件用于表示和管理文件系统中的目录结构；特殊文件则包括设备文件和管道文件等，用于实现特定的系统功能。文件的概念与类型182024/3/26VS目录是文件系统中用于组织和管理文件的逻辑结构，它提供了一种层次化的方式来表示文件之间的关联。目录结构常见的目录结构有单级目录结构、二级目录结构和多级目录结构。单级目录结构将所有文件都放在根目录下，适用于简单系统；二级目录结构将文件分为用户文件和系统文件两类，分别放在不同的目录下；多级目录结构则采用树形结构，可以表示更复杂的文件和目录关系。目录的概念文件目录结构192024/3/26文件的物理结构是指文件在存储设备上的存放方式，包括连续结构、链接结构和索引结构等。连续结构将文件数据连续存放在磁盘上，适用于顺序访问；链接结构将文件数据分散存放在磁盘上，通过链接指针进行访问；索引结构则通过建立索引表来管理文件的存放位置。操作系统需要有效地管理文件的存储空间，包括空闲空间的管理和已分配空间的管理。常见的空闲空间管理方法有位示图法、空闲块链表法和空闲块成组链接法等；而已分配空间的管理则可以通过建立文件分配表或链接指针等方式实现。文件的物理结构文件存储空间管理文件存储管理202024/3/26文件共享多个用户或进程可以同时访问同一个文件，实现文件的共享。操作系统需要提供相应的共享机制和管理策略，如基于索引节点的共享方式、基于符号链接的共享方式等。文件保护为了保护文件的安全性和完整性，操作系统需要提供相应的保护措施，如访问控制列表（ACL）、加密技术等。同时，还需要防止对文件的非法访问和破坏，如通过防火墙、入侵检测系统等手段来加强文件系统的安全防护。文件共享与保护212024/3/2605设备管理222024/3/26操作系统通过设备管理功能，实现对设备的控制、状态监测、数据传输等操作，确保设备正常工作。提供设备控制与处理功能设备管理应实现设备独立性，即应用程序对设备的操作与具体设备无关，提高系统的可移植性和易维护性。设备独立性根据设备请求，为进程分配所需的设备资源，并在进程结束后及时回收设备资源。设备分配与回收对设备进行缓冲管理，提高数据传输效率，减少CPU等待时间。缓冲管理设备管理的功能与任务232024/3/26程序直接控制方式由用户进程直接控制I/O操作，CPU等待时间长，效率低下。DMA控制方式通过DMA控制器直接控制内存与I/O设备之间的数据传输，降低了CPU的干预程度，提高了数据传输效率。中断控制方式采用中断技术，当I/O操作完成后，通过中断通知CPU进行处理，提高了CPU利用率。通道控制方式使用通道来控制多个I/O设备的操作，进一步减少了CPU的干预，提高了系统性能。I/O控制方式242024/3/26123对于独占设备，采用静态或动态分配方式，确保同一时间内只有一个进程能够使用该设备。独占设备分配对于共享设备，采用虚拟设备技术或SPOOLing技术，允许多个进程同时使用同一设备。共享设备分配根据设备的特性和系统需求，选择合适的设备分配算法，如先来先服务、优先级高者优先等。设备分配算法设备分配技术252024/3/26设备驱动程序设备驱动程序是连接操作系统与硬件设备的桥梁，它负责接收操作系统的请求并控制硬件设备完成相应的操作。设备驱动程序的组成设备驱动程序通常由设备控制块、中断处理程序、数据缓冲区和设备服务子程序等组成。设备驱动程序的编写与加载编写设备驱动程序需要了解硬件设备的特性和操作系统的接口规范，加载驱动程序则需要通过操作系统提供的机制将驱动程序加载到内核中。设备驱动程序的概念262024/3/2606操作系统安全272024/3/2603操作系统安全策略身份验证、访问控制、加密等。01操作系统安全的重要性保护系统资源，防止未经授权的访问和破坏。02操作系统面临的安全威胁恶意软件、黑客攻击、数据泄露等。操作系统安全概述282024/3/26主体、客体、访问权限等。访问控制的基本概念自主访问控制、强制访问控制、基于角色的访问控制等。访问控制模型访问控制列表、能力表、安全标签等。访问控制实现技术访问控制技术292024/3/26加密