(2024年)操作系统教程

操作系统教程12024/3/26操作系统概述进程管理内存管理文件系统设备管理现代操作系统新技术contents目录22024/3/2601操作系统概述32024/3/26定义与功能定义操作系统是一种系统软件，它是计算机上的一个关键组成部分。功能操作系统主要负责管理计算机硬件和软件资源，提供用户界面以方便用户使用计算机。42024/3/26从手工操作到批处理系统，再到分时系统、实时系统、网络操作系统和分布式操作系统等。根据使用环境和功能需求，操作系统可分为桌面操作系统、服务器操作系统、嵌入式操作系统等。发展历程及分类分类发展历程52024/3/2603macOS苹果公司开发的桌面操作系统，设计优雅，用户体验良好，主要面向苹果电脑用户。01Windows由微软公司开发的桌面操作系统，界面友好，适合普通用户使用。02Linux开源的类Unix操作系统，具有高度的可定制性和灵活性，广泛应用于服务器和嵌入式设备等领域。常见操作系统介绍62024/3/26操作系统通常由内核、外壳、文件管理系统、设备驱动程序等组成。结构操作系统设计应遵循模块化、抽象化、层次化等原则，以提高系统的可靠性、可维护性和可扩展性。同时，还需要考虑安全性、实时性等因素，以满足不同应用场景的需求。设计原则操作系统结构与设计原则72024/3/2602进程管理82024/3/26进程是计算机中的程序关于某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。进程定义动态性、并发性、独立性、异步性、结构特征。进程特征进程是动态的，程序是静态的；进程有独立性，程序没有；进程有并发性，程序没有；进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是。进程与程序的区别进程概念及特征92024/3/26进程状态就绪状态、执行状态、阻塞状态。进程控制块（PCB）用于描述系统进程状态和进程控制信息的数据结构。进程控制创建进程、撤销进程、进程阻塞与唤醒、进程挂起与激活。进程调度根据一定算法，从就绪队列中选出一个进程，让它占用CPU运行。进程状态转换与控制102024/3/26123指不同进程之间传递信息和数据的一种技术。进程间通信（IPC）用于协调多个进程之间的运行顺序，以避免竞争条件和死锁等问题。常见的同步机制包括信号量、互斥锁、条件变量等。同步机制生产者-消费者问题、读者-写者问题、哲学家进餐问题等。经典同步问题进程间通信与同步机制112024/3/26线程定义01线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。线程与进程的区别02线程是进程的一个执行单元，进程由多个线程组成；线程共享进程的资源，如内存空间、文件描述符等；线程的创建、切换和销毁比进程更快。多线程模型03多对一模型、一对一模型、多对多模型。其中多对多模型是最常用的多线程模型，它将多个用户级线程映射到多个内核级线程上，可以同时利用多个处理器核心进行并行计算。线程概念及多线程模型122024/3/2603内存管理132024/3/26操作系统根据进程的需求和内存空间的情况，采用不同的内存分配策略，如首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法等。内存分配策略当进程释放内存时，操作系统需要有效地回收和管理这些内存空间，以便再次分配给其他进程使用。内存回收机制在内存分配和回收过程中，可能会产生内存碎片，操作系统需要采取相应的措施来减少内存碎片的影响。内存碎片问题内存分配策略与回收机制142024/3/26地址映射机制虚拟内存通过地址映射机制将虚拟地址转换为物理地址，实现进程的内存访问。页面置换算法当物理内存空间不足时，操作系统需要采用页面置换算法来选择将哪些页面换出到磁盘上，以便为新的页面提供空间。虚拟内存原理虚拟内存是一种将物理内存和磁盘存储空间结合起来，提供比实际物理内存更大的可用内存空间的技术。虚拟内存原理及实现技术152024/3/26先进先出页面置换算法根据页面进入内存的时间来选择需要换出的页面，实现简单但效率不高。时钟页面置换算法将内存中的页面组织成环形链表，通过循环扫描来选择需要换出的页面，是一种比较实用的页面置换算法。最优页面置换算法根据未来页面的使用情况来选择当前需要换出的页面，是最理想的页面置换算法，但实际应用中很难实现。页面置换算法介绍162024/3/26内存保护机制操作系统通过内存保护机制来防止进程之间的非法访问和破坏，保证系统的稳定性和安全性。访问权限控制操作系统为每个进程分配不同的访问权限，进程只能访问自己拥有权限的内存空间。安全漏洞与攻击防范操作系统需要采取相应的安全措施来防范内存安全漏洞和攻击，如缓冲区溢出攻击、内存泄露等。内存保护与安全机制172024/3/2604文件系统182024/3/26文件定义文件是存储在外部介质上的数据集合，可以被操作系统创建、写入、读取和删除。文件属性包括文件名、文件类型、文件大小、文件创建时间、修改时间、访问权限等。属性设置用户可以通过操作系统提供的接口，对文件属性进行设置和修改。文件概念及属性设置030201192024/3/26操作系统采用树形目录结构来管理文件，包括根目录、子目录和文件等。目录结构文件可以采用顺序存储、链式存储或索引存储等方式进行组织。文件组织方式用户通过指定路径和文件名来访问和操作文件。路径与文件名目录结构与文件组织方式202024/3/26操作系统负责为文件分配存储空间，可以采用连续分配、链接分配或索引分配等方式。存储空间分配当文件被删除或释放时，操作系统负责回收其占用的存储空间，并供其他文件使用。空间回收与再利用操作系统还可以采用压缩、合并等技术来优化存储空间的使用。存储空间优化文件存储空间管理策略212024/3/26文件共享多个用户或进程可以同时访问同一个文件，操作系统需要提供相应的共享机制。文件保护操作系统需要提供访问控制、加密等机制来保护文件的安全性和完整性。并发控制当有多个用户或进程同时访问文件时，操作系统需要进行并发控制，以避免出现数据不一致或冲突等问题。文件共享与保护机制222024/3/2605设备管理232024/3/26根据设备的特性和功能，可以将设备分为输入设备、输出设备、存储设备、通信设备等类型。设备分类驱动程序是操作系统与硬件设备进行交互的接口，需要针对不同的设备类型和硬件特性进行设计，包括设备初始化、数据传输、设备控制等功能。驱动程序设计设备分类及驱动程序设计242024/3/26I/O控制方式比较程序直接控制方式通道控制方式中断控制方式DMA控制方式CPU直接控制外设进行数据传输，效率较低，适用于数据传输量较小的场合。外设准备就绪后向CPU发出中断请求，CPU响应中断后执行相应的中断处理程序进行数据传输，效率较高。在外设和内存之间开辟直接的数据交换通道，由DMA控制器控制数据传输，不需要CPU的干预，效率更高。通道是一个具有特殊功能的处理器，可以独立地执行一系列I/O操作，进一步提高了CPU的利用率。252024/3/26循环缓冲在内存中开辟一个大小固定的循环缓冲区，由指针指示当前可读写的位置，实现数据的连续传输和处理。缓冲技术原理在内存中开辟一个缓冲区，用于暂存输入/输出数据，以解决CPU与外设之间速度不匹配的问题。单缓冲在设备和处理机之间设置一个缓冲区，设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲区，然后处理机从缓冲区中取出数据进行处理。双缓冲在设备和处理机之间设置两个缓冲区，当处理机从一个缓冲区中取出数据进行处理时，另一个缓冲区可用于进行输入或输出操作。缓冲技术原理及应用262024/3/26输入标题设备分配数据结构设备分配策略设备分配策略及优化方法根据设备的特性和系统的需求，可以采用静态分配或动态分配策略，其中动态分配策略可以根据设备的实际使用情况动态地分配设备资源。为了提高设备的使用效率和系统的性能，可以采用一些优化方法，如设备独立性、设备虚拟化、设备共享等。常用的设备分配算法有先来先服务、优先级高者先服务等，可以根据系统的需求和实际情况选择合适的算法进行设备分配。为了管理设备资源，需要建立相应的数据结构，如设备控制表、设备队列等，用于记录设备的状态、分配情况等信息。设备分配优化方法设备分配算法272024/3/2606现代操作系统新技术282024/3/26弹性可扩展性高可用性多租户支持安全性保障云计算环境下操作系统特点01020304云计算环境下的操作系统可以根据应用需求动态分配资源，实现弹性可扩展。云计算环境下的操作系统通过冗余部署、容错机制等技术手段，确保系统的高可用性。云计算环境下的操作系统支持多租户共享资源，实现资源的最大化利用。云计算环境下的操作系统采用多种安全机制，确保用户数据的安全性和隐私性。292024/3/26大数据时代存储技术挑战数据量巨大大数据时代面临的最大挑战是数据量巨大，需要高效的存储和管理技术。数据多样性大数据时代的数据类型繁多，包括结构化数据、非结构化数据等，需要不同类型的存储系统来支持。数据可靠性大数据时代对数据的可靠性要求极高，需要采用分布式存储、容错机制等技术手段来确保数据的可靠性。性能要求大数据时代对存储系统的性能要求也很高，需要支持高并发、低延迟等特性。302024/3/26智能资源调度智能故障预测智能安全防护个性化服务人工智能在操作系统中应用人工智能可以应用于操作系统的资源调度中，实现智能分配和管理资源。人工智能可以应用于操作系统的安全防护中，实现智能检测和防御安全威胁。人工智能可以预测系统可能出现的故障，提前进行预警和处理，提高系统的稳定性。人工智能可以根据用户的使用习惯和需求，提供个性化的服务和推荐。312024/3/26设备多