《ch操作系统》课件

《C++操作系统》课程内容介绍本课程旨在为学生提供关于操作系统原理和设计的基本知识。课程内容涵盖了操作系统的关键概念、架构、组件和实现。WDC++语言概述面向对象编程C++是一种支持面向对象编程(OOP)的语言，它提供了封装、继承和多态等特性。通用编程语言C++是一种通用编程语言，可以用于各种应用程序，包括系统编程、游戏开发和数据科学。高性能C++是一种高性能语言，它提供了对硬件的直接访问，并允许程序员优化性能。丰富的库C++拥有庞大的库，包括标准模板库(STL)，它提供了各种数据结构和算法。操作系统的基本概念操作系统是计算机系统的核心软件，它管理着计算机系统中的硬件和软件资源。操作系统为用户提供一个友好的界面，方便用户使用计算机系统。操作系统负责管理和调度计算机资源，为应用程序提供运行环境。操作系统管理计算机网络资源，例如网络连接、数据传输等。操作系统的發展历程1现代操作系统多任务、多用户、图形界面2单用户操作系统批处理系统、分时系统3早期操作系统单任务、无文件系统操作系统的发展经历了从简单到复杂、从单任务到多任务、从批处理到交互式等几个阶段。早期操作系统主要用于管理计算机硬件资源，以提高计算机的使用效率。随着计算机技术的不断发展，操作系统的功能越来越强大，已经成为现代计算机系统不可或缺的一部分。操作系统的功能管理计算机硬件操作系统负责分配和管理CPU、内存、外设等硬件资源，确保应用程序能够有效地使用这些资源。操作系统会处理硬件之间的交互，确保它们协同工作，并提供抽象层，屏蔽硬件细节。提供用户界面操作系统提供图形界面或命令行界面，方便用户与计算机交互，执行应用程序，管理文件和设置。它可以处理用户输入，显示输出，并提供各种工具和服务，帮助用户完成任务。操作系统的体系结构操作系统体系结构是指操作系统内部各组件的组织方式和相互关系。常见的操作系统体系结构包括单内核、微内核、混合内核等。每种体系结构都有其优点和缺点，需要根据具体应用场景选择合适的体系结构。进程的概念和状态进程定义进程是程序在执行过程中的一个实例，拥有独立的地址空间，可以分配系统资源。进程状态进程经历创建、就绪、运行、阻塞、终止等状态，这些状态在进程生命周期中不断转换。进程控制块每个进程都有一个进程控制块(PCB)，记录进程的标识、状态、资源等信息，是操作系统管理进程的关键数据结构。进程调度算法11.先来先服务算法最简单调度算法，先到达的进程先执行。22.短作业优先算法优先执行估计运行时间短的进程。33.优先级调度算法根据进程优先级进行调度，高优先级进程优先执行。44.时间片轮转算法每个进程分配一个时间片，轮流执行。进程同步和互斥同步同步是指多个进程在访问共享资源时必须按照一定的顺序进行。例如，两个进程都需要访问同一个文件，则必须保证其中一个进程完成对文件的访问后，另一个进程才能开始访问。互斥互斥是指多个进程在任何时刻只能有一个进程访问共享资源。例如，两个进程都需要访问同一个打印机，则必须保证其中一个进程正在使用打印机时，另一个进程无法使用。死锁的概念和预防死锁定义多个进程因竞争资源而相互等待，形成循环等待关系，导致所有进程都无法继续执行。死锁条件互斥条件请求和保持条件不可剥夺条件循环等待条件预防死锁破坏死锁条件，通过资源分配策略或进程调度策略来避免死锁。死锁检测和恢复检测死锁后，采取措施，如撤销进程、抢占资源或回滚操作来恢复系统。内存管理的基本方法11.分区分配将内存空间划分成多个固定大小的区域，为每个进程分配一个或多个分区。简单易实现，但内存利用率较低。22.分页管理将内存空间和程序地址空间都划分成固定大小的页面，通过页表实现逻辑地址到物理地址的转换。提高内存利用率，但需要额外的页表空间。33.段式管理将程序地址空间划分成多个逻辑段，每个段可以有不同的长度和访问权限。方便程序模块化管理，但需要额外的段表空间。44.虚拟内存技术将磁盘空间作为内存的一部分，通过页面置换算法实现虚拟内存，提高内存利用率。虚拟内存技术虚拟地址空间虚拟内存技术为每个进程提供一个独立的虚拟地址空间，从而实现资源隔离和安全保护。分页将虚拟地址空间划分为固定大小的页，并以页为单位进行内存分配和管理。交换空间将部分不常用的页面暂时存储到磁盘上的交换分区中，以腾出内存空间给更频繁使用的页面。页面置换算法当需要加载新的页面而内存空间不足时，选择一个页面从内存中置换出去，常用的置换算法包括FIFO、LRU等。文件系统的基本概念文件文件系统将信息组织为文件，方便管理和访问。目录目录用于组织和管理文件，形成文件树状结构。路径路径是文件在文件系统中的唯一标识，用于定位文件。共享文件系统可以实现文件共享，允许多个用户访问同一个文件。文件系统的实现1文件系统结构文件系统包含多个层次，包括物理块、逻辑块、目录结构等。2文件组织方式常见的文件组织方式包括顺序文件、索引文件、链接文件等。3文件操作文件操作包括创建、打开、读写、关闭、删除等。4磁盘管理文件系统需要管理磁盘空间，分配和回收空间，以及对磁盘进行格式化等操作。文件系统实现是操作系统中重要的组成部分，它负责管理和组织存储在磁盘上的文件，以便用户能够方便地访问和使用文件。磁盘管理和I/O系统磁盘管理磁盘管理是操作系统的一项重要功能，负责对磁盘进行管理，包括分区、格式化、文件系统管理等操作。I/O系统I/O系统负责管理计算机系统中各种输入输出设备，包括键盘、鼠标、显示器、硬盘、打印机等。数据传输操作系统通过I/O系统与磁盘进行数据交互，读取和写入数据，保证数据的完整性和可靠性。设备驱动程序的概念硬件与软件桥梁设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，使得软件应用程序能够访问和控制硬件设备。定制化设计由于硬件设备的差异性，设备驱动程序需要针对特定的硬件设备进行定制设计，以确保其能够正确地驱动硬件设备。功能与职责设备驱动程序负责接收来自操作系统的命令，并将这些命令转换为硬件设备能够理解的信号，从而控制硬件设备的行为。优化系统性能通过优化设备驱动程序，可以提高硬件设备的性能，从而提升整个系统的性能。中断机制的原理中断的概念中断是指计算机系统在执行程序的过程中遇到异常事件，导致程序暂停，转而执行预先设置好的中断处理程序。中断可以来自硬件或软件，例如键盘输入、磁盘读写、异常错误等。中断处理流程当发生中断时，CPU会保存当前程序的运行状态，并跳转到中断处理程序。中断处理程序完成相应的处理后，将恢复被中断程序的运行状态。操作系统的安全机制11.访问控制操作系统通过权限控制策略，限制用户对系统资源的访问，例如文件、设备和内存。22.密码保护用户身份验证机制，例如密码，防止未经授权的访问，保护系统免受恶意攻击。33.数据加密数据加密技术通过密钥对敏感信息进行加密，保护数据不被泄露或篡改，增强系统安全性。44.安全审计操作系统记录用户操作，以便检测和分析安全事件，追溯责任，提高安全透明度。操作系统的并发控制进程同步多个进程共享资源时，需要进行协调和同步，防止数据冲突和资源竞争。信号量信号量是一种重要的同步机制，用于控制对共享资源的访问，避免多个进程同时访问。互斥锁互斥锁确保同一时间只有一个进程可以访问共享资源，防止数据不一致问题。管程管程是一种高级同步机制，提供更高级别的抽象和数据封装，简化并发编程。操作系统的性能评估指标描述吞吐量单位时间内完成的任务数量响应时间系统对用户请求的响应时间CPU利用率CPU处于忙碌状态的时间比例内存利用率内存被使用的比例磁盘利用率磁盘被使用的比例性能评估方法包括基准测试、性能监控、分析和优化。操作系统的体系结构设计操作系统体系结构是操作系统设计的核心，它决定了操作系统各个模块之间的关系和功能分配。常见的操作系统体系结构包括微内核体系结构、宏内核体系结构和混合内核体系结构。设计一个优秀的体系结构需要考虑模块化、层次化、安全性、可靠性等方面，以确保操作系统高效、稳定、安全地运行。实时操作系统的特点实时性对事件做出及时响应，并根据时间要求进行操作，这对于控制系统或数据采集系统至关重要。可靠性实时系统必须确保可靠运行，避免出现故障或错误，以保证系统正常运作和安全稳定性。可预测性实时系统需要能够预测执行时间，以便及时完成任务，并避免任务延迟或资源争夺。资源管理有效管理系统资源，例如内存、CPU、I/O，以满足实时任务的需求，并保证系统性能。嵌入式操作系统简介硬件平台专门针对特定硬件平台设计，例如微控制器、嵌入式系统等。有限资源通常拥有有限的内存、存储空间和处理能力，需要优化资源利用率。实时性要求系统能够快速响应外部事件，满足时间敏感的应用需求。分布式操作系统概述资源共享分布式操作系统允许不同计算机共享资源，例如处理器、内存和存储器，提高整体效率。高可用性分布式系统能够容忍单个节点的故障，从而提高系统的可靠性和可用性。可扩展性通过添加更多节点，分布式系统可以轻松扩展以处理不断增长的工作负载和数据量。网络操作系统的特点1资源共享多个用户和计算机可以共享网络资源，例如文件、打印机和数据库。2分布式处理任务可以分散到不同的计算机上执行，提高系统性能和可靠性。3通信能力网络操作系统提供各种通信协议，方便用户在不同计算机之间进行数据交换。4安全性网络操作系统提供安全机制，保护网络资源不受非法访问和攻击。云计算操作系统概述资源池化将计算、存储、网络等资源抽象为可共享的池，供用户按需使用。虚拟化技术利用虚拟化技术创建虚拟机、容器等，实现资源隔离和动态分配。服务化提供各种云服务，例如计算、存储、数据库、网络等，满足用户不同需求。弹性伸缩根据用户的实际需求，动态调整资源的规模，保证服务性能和成本控制。未来操作系统发展趋势云原生操作系统云原生操作系统将更加轻量级和模块化，更好地适应云计算环境。它们将提供更高的可扩展性、安全性、可靠性和弹性，满足云计算应用的需求。人工智能操作系统人工智能操作系统将利用机器学习和深度学习技术，智能地管理系统资源，优化系统性能，并提供更个性化的用户体验。边缘计算操作系统边缘计算操作系统将支持边缘设备的实时数据处理和分析，为物联网应用提供更低延迟、更高效率的解决方案。跨平台操作系统跨平台操作系统将打破不同平台之间的壁垒，实现不同设备之间的数据共享和应用程序互操作性。安全操作系统安全操作系统将更加重视系统安全性，采用更先进的安全机制来防范网络攻击和数据泄露。本课程的考核方式平时成绩平时成绩占比30%。包括课堂参与、作业完成情况、实验报告等。期末考试期末考试占比70%。考试内容涵盖课程所有知识点，以笔试形式进行。课程总结与讨论