《操作系统原理ch》课件

操作系统原理探讨操作系统的基础概念和设计原理,包括进程管理、内存管理、输入输出以及文件管理等关键主题。系统地介绍操作系统的架构、功能和设计思路,以帮助读者深入理解操作系统的工作机制。操作系统的定义和功能操作系统的定义操作系统是管理计算机硬件和软件资源的系统软件,为用户提供一个便利的使用环境。操作系统的功能操作系统可以进行进程管理、内存管理、设备管理、文件管理和安全管理等重要功能。操作系统的优势操作系统提高了计算机的效率和安全性,方便用户使用和维护计算机系统。操作系统的发展历程11940年代第一代电子计算机的出现21950年代批处理操作系统的引入31960年代分时操作系统的出现41970年代微处理器技术的发展操作系统的发展历程主要经历了从早期电子计算机到批处理系统、分时系统，再到微处理器技术支持下的现代操作系统的发展。每个阶段都体现了计算机技术的进步和对用户需求的不断满足。操作系统的基本组成硬件层操作系统的基础是计算机硬件,包括CPU、内存、磁盘等,提供计算资源和存储空间。内核层操作系统内核是操作系统的核心,负责管理硬件资源、进程调度、内存管理等关键功能。用户界面层操作系统提供图形界面或命令行界面,让用户与计算机交互,运行应用程序。进程的概念和状态进程概念进程是操作系统中独立运行的基本单元,有独立的地址空间、资源和状态.进程状态进程有新建、就绪、运行、阻塞和退出等不同状态,状态间切换由操作系统调度算法决定.进程控制块操作系统为每个进程维护一个进程控制块,记录进程的重要属性和状态信息.进程的创建和切换1进程的创建操作系统提供了系统调用创建进程的功能,新进程称为子进程,父进程负责管理子进程的生命周期。子进程独立于父进程运行,拥有自己的地址空间和执行流。2进程的切换操作系统会根据进程的优先级和状态进行进程调度和切换。当某个进程需要等待I/O操作或者主动放弃CPU时,操作系统会切换到就绪队列中优先级更高的进程执行。3上下文切换进程切换时,操作系统需要保存当前进程的执行状态,并加载新进程的执行环境,这个过程称为上下文切换。上下文切换会带来一定的性能开销。线程的概念和创建1线程概念线程是操作系统中的基本执行单元,能独立运行并访问共享的系统资源。2线程优势相比进程,线程具有更快的创建和切换速度,以及更高的并发执行效率。3线程创建通过调用操作系统提供的API,如pthread_create等函数来创建新的线程。4线程属性每个线程都有自己的栈空间、程序计数器和寄存器集,但共享进程的地址空间。线程的调度和同步线程调度操作系统通过线程调度算法在多个线程之间分配CPU时间,确保系统资源得到高效利用。常见的调度算法包括时间片轮转、优先级调度和公平调度等。线程同步为了避免多个线程之间的竞争冲突,操作系统提供了各种同步机制,如互斥锁、信号量和条件变量等,帮助开发者协调线程间的活动。同步原语常见的同步原语包括关键区域、自旋锁、读写锁等,开发者可根据应用需求选择合适的同步机制。合理使用同步原语可以提高程序的并发性和可靠性。死锁预防死锁是线程同步中的一个重要问题,操作系统需要通过资源分配策略、死锁检测和死锁避免等措施来预防死锁的发生。进程和线程的区别进程概念进程是操作系统中的基本执行单位,是资源分配和调度的独立单位。线程概念线程是进程中的执行单元,是CPU调度和分派的基本单位。主要区别进程拥有独立的地址空间,线程共享进程的资源;进程切换开销大,线程切换开销小。内存的基本概念1内存的作用内存是计算机中最基础的硬件组件之一,负责临时存储程序指令和数据,以供中央处理器快速访问和执行。2内存的种类计算机内存可分为主存储器和辅助存储器,其中主存储器包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。3内存的特性内存具有易失性、访问速度快、容量有限等特点,需要配合中央处理器和存储管理机制才能发挥最大效能。4内存地址空间内存地址空间指计算机可寻址的内存范围,可以通过地址总线访问到相应的内存单元。内存地址空间的管理物理内存管理操作系统需要有效管理可用的物理内存空间,包括内存分配、回收和保护等。逻辑地址空间每个进程拥有独立的逻辑地址空间,以避免访问冲突和安全隐患。地址转换机制操作系统会将逻辑地址转换为物理地址,以使进程能够正确访问内存。页式内存管理机制页式管理概述页式管理是一种将内存分成大小相等的页面块的内存管理机制。每个进程有自己的地址空间,可以将其分布在不同的页面上。地址转换通过页表实现虚拟地址到物理地址的转换。页表存储了每个虚拟页面的物理页面号和访问权限等信息。页面置换当物理内存不足时,需要通过页面置换算法将某些页面换出内存,腾出空间供新页面使用。常见算法包括FIFO、LRU和时钟算法。页面错误处理当访问一个不在内存中的页面时会发生页面错误,操作系统需要将该页面调入内存并更新页表,然后重新执行指令。段式内存管理机制逻辑地址空间段式内存管理将程序的地址空间分为若干个长度可变的段，每个段表示一种不同功能的代码或数据。内存映射操作系统将逻辑地址映射到物理内存页帧，提高内存利用率和地址转换效率。保护机制段式管理可以为每个段设置权限，防止程序越权访问其他段的数据和代码。灵活性段的大小可变，有助于更好地适应不同程序的内存需求。虚拟内存管理机制内存地址映射虚拟内存管理通过地址转换技术,将程序使用的逻辑地址映射到实际的物理内存地址,提供了更大的内存地址空间。页式虚拟内存将内存划分为固定大小的页面,通过页表实现虚拟地址到物理地址的转换,实现高效的内存管理。分段虚拟内存将程序的地址空间划分为多个可独立管理的段,通过段表实现虚拟地址到物理地址的转换,提高灵活性。缺页中断机制当访问不在物理内存中的虚拟页面时,会产生缺页中断,通过页面置换算法将部分页面换出内存,满足当前程序的需求。页面置换算法先进先出(FIFO)最简单的页面置换算法,将最早进入内存的页面置换出去。但无法考虑页面使用频率。最近最少使用(LRU)根据页面最近的使用情况进行置换,淘汰最长时间未使用的页面。可以较好地反映页面的使用频率。最佳(OPT)理想情况下,置换出将来最长时间不会被访问的页面。但无法在实际系统中实现。文件系统的概念和作用存储组织文件系统提供了一种有组织的方式来存储和管理数据文件,使得计算机用户可以轻松地访问和管理存储在硬盘或其他存储设备上的信息。文件操作文件系统支持创建、读取、写入、删除和管理文件的基本操作,让用户可以高效地组织和管理计算机中的数据。命名与目录文件系统提供了命名和组织文件的机制,如通过目录结构来实现文件的层次管理,使文件更易于查找和管理。权限控制文件系统可以设置访问权限,以确保数据的安全性和隐私性,防止未经授权的访问或修改。文件的属性和操作文件属性文件名、大小、创建修改时间等信息。可用来查看和管理文件。文件操作包括创建、打开、读写、复制、移动、删除等基本操作。通过这些操作可对文件进行管理。文件权限控制用户对文件的访问权限,如读、写、执行等。合理设置权限可确保数据安全。文件的存储管理文件分配表（FAT）FAT是一种常见的文件存储管理方式,它将文件的数据块链接在一起形成文件结构。FAT文件系统广泛应用于Windows操作系统中。索引节点（i节点）i节点是Unix/Linux文件系统中的基本单元,它存储文件的元数据信息,如文件大小、访问权限和物理磁盘地址等。日志式文件系统日志式文件系统将所有的文件操作记录在日志中,这样可以提高系统的可靠性和容错性,减少文件系统崩溃带来的损失。分层目录结构文件系统通常采用分层的目录结构,以树状的方式组织文件和子目录,方便管理和查找。目录的结构和操作1层级结构目录通常采用嵌套的层级结构,以树状的方式组织管理文件和子目录。2操作方式常见的目录操作包括创建、删除、重命名、浏览、切换等,用于对文件和子目录进行管理。3权限控制目录通常拥有诸如读取、写入、执行等访问权限,可以对用户操作进行限制。4路径表示文件和目录在系统中通常使用绝对路径或相对路径的方式进行定位和访问。磁盘管理机制磁盘分区操作系统可将物理磁盘划分为多个逻辑分区,提高存储空间利用率和系统性能。文件系统结构不同的文件系统结构,如FAT、NTFS等,提供不同的文件组织和访问方式。磁盘缓存管理操作系统会在内存中保留磁盘数据缓存,提高读写效率,并采用淘汰策略管理缓存。磁盘IO调度操作系统通过磁盘IO调度算法,如FCFS、SSTF等,优化磁盘访问顺序,提高吞吐量。磁盘调度算法先来先服务(FCFS)按照请求顺序逐个处理磁盘访问请求,简单易实现,但效率较低。最短寻道时间优先(SSTF)选择距离当前磁头最近的请求,可以减少整体寻道时间,但可能造成某些请求长期得不到服务。扫描算法(SCAN)磁头从一端扫描到另一端,处理途中的所有请求,再反方向扫描,可以最大化磁头利用率。循环扫描算法(C-SCAN)磁头只单向扫描,处理途中的请求,可以减少磁头移动时间,提高整体吞吐量。输入输出设备的管理输入设备管理操作系统需要管理各种输入设备,如键盘、鼠标、触摸屏等,确保它们能稳定、高效地将用户输入传送到计算机。输出设备管理操作系统需要管理各种输出设备,如显示器、打印机、扬声器等,将计算机的处理结果准确地传递给用户。设备驱动程序操作系统通过设备驱动程序与各种输入输出设备进行交互,提供统一的设备访问接口,简化应用程序的设备管理。设备驱动程序的作用设备接口设备驱动程序提供了计算机与硬件设备之间的标准接口,使得操作系统可以统一地管理不同种类的设备。设备控制设备驱动程序负责向设备发送控制命令,并处理设备产生的中断,实现对设备的控制和管理。设备抽象化设备驱动程序将复杂的硬件设备抽象成标准化的接口,屏蔽了底层硬件细节,方便上层软件使用。缓冲区的概念和作用缓冲区概念缓冲区是一块临时存储数据的内存区域。它用于协调数据传输速度差异,使数据传输更加平稳高效。作用一：数据临时存储缓冲区可以暂存数据,预防数据传输过程中的速度不匹配。作用二：数据优化传输合理使用缓冲区可以减少数据传输的次数和错误,提高传输效率。作用三：流量控制缓冲区可以根据实际情况调节数据流量,避免数据丢失或传输拥塞。并发控制机制互斥锁通过加锁和解锁机制保证同一时刻只有一个线程访问共享资源。信号量维护一个计数器来限制同时访问共享资源的线程数量。条件变量允许线程在满足某些条件时被唤醒,避免资源竞争和死锁。读写锁针对读写操作的不同需求提供读锁和写锁以提高并发性。死锁的概念和预防死锁的概念死锁是指两个或更多的线程或进程因争夺资源而相互等待的一种僵局状态,无法继续执行下去。死锁预防策略常见的防止死锁发生的方法包括资源有序分配、资源互斥分配、线程执行时间限制等。死锁预防措施通过合理设计资源管理机制,合理分配资源,避免线程陷入互相等待的死锁状态。资源分配与死锁检测1资源分配策略操作系统需要制定合理的资源分配策略,确保公平性和效率性。常见的策略包括先来先服务、最短作业优先等。2死锁检测算法操作系统可以采用资源分配图或者资源-进程矩阵等方法,定期检测系统中是否存在死锁情况。3预防和解决死锁一旦发现死锁,可以通过剥夺资源、撤销进程等方式来预防和解决死锁问题。4死锁的性能开销死锁检测和解决机制本身也会带来一定的性能开销,需要权衡利弊。实时操作系统的特点响应时间快实时操作系统能够快速响应外部事件,以确保及时完成任务。数据流处理实时操作系统擅长处理连续不断的数据流,而不是批量处理。可扩展性强实时操作系统能够有效处理大规模数据,在保持低延迟的同时保证高吞吐量。故障容忍性实时操作系统具有较强的容错能力,能够在出现故障时快速恢复。实时操作系统的任务调度1实时性保证时间关键任务的及时响应2优先级根据任务重要性动态调整优先级3可预测性确保任务在截止时间内完成实时操作系统的任务调度必须满足实时性要求,确保紧急任务能快速响应。调度算法根据任务的优先级和截止时间动态调度,使系统保持高度可预测性。这需要精细的调度策略,确保关键任务能按时完成,提高整个系统的实时性能。操作系统安全机制访问