华中科技大学操作系统课件全集

华中科技大学操作系统课件全集本课件涵盖操作系统课程核心概念，包括进程管理、内存管理、文件系统、死锁、安全等内容。旨在帮助学生深入理解操作系统的基本原理和运行机制，并掌握相关技术应用。操作系统概述操作系统是计算机系统中最重要的系统软件之一，它负责管理和控制计算机的硬件资源，并为应用程序提供运行环境。操作系统是连接硬件和软件的桥梁，它屏蔽了硬件的复杂性，为用户提供简单易用的操作界面。操作系统的功能和目标资源管理操作系统管理和分配计算机资源，包括CPU、内存、磁盘和外设。用户接口操作系统提供用户界面，方便用户与计算机交互，执行命令和程序。多任务处理操作系统允许多个程序同时运行，提高计算机效率。操作系统的分类11.批处理操作系统批处理操作系统将作业按顺序执行，适合执行大量重复任务。22.分时操作系统分时操作系统将时间分成时间片，让多个用户共享系统资源，提高效率。33.实时操作系统实时操作系统能及时响应外部事件，应用于工业控制、航空航天等领域。44.网络操作系统网络操作系统管理网络资源，支持分布式应用，例如WindowsServer。操作系统的发展历程1第一代批处理系统2第二代分时系统3第三代多用户系统4第四代分布式系统5第五代网络操作系统操作系统经历了漫长的发展过程，从最初的批处理系统到现代的网络操作系统，每一代操作系统都带来了新的功能和特性，满足了不断增长的用户需求。现代操作系统已经成为计算机系统的重要组成部分，为用户提供强大的计算能力和高效的资源管理。计算机硬件基础中央处理器(CPU)CPU是计算机的大脑，负责执行指令，控制数据流和运算逻辑。内存(RAM)RAM是计算机的临时存储器，用于存放正在运行的程序和数据，速度快但容量有限。硬盘(HDD/SSD)硬盘是计算机的长期存储器，用于存放操作系统、程序和数据文件，容量大但速度慢。输入/输出设备输入/输出设备用于向计算机输入数据或从计算机输出数据，例如键盘、鼠标、显示器、打印机等。操作系统的体系结构操作系统的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。常见体系结构包括单内核、微内核、混合内核和基于进程的体系结构等。不同的体系结构对系统性能、安全性和可扩展性等方面有不同的影响。进程管理进程的定义一个正在执行的程序的实例。它是操作系统分配资源的基本单位。进程拥有自己的地址空间、内存资源、文件资源和安全属性。进程管理的作用负责创建、终止、挂起和恢复进程。管理进程间的通信和同步，协调进程对共享资源的访问。进程的状态新建状态进程刚被创建，尚未分配资源。运行状态进程已获得CPU时间片，正在执行。就绪状态进程已准备好运行，但尚未获得CPU。阻塞状态进程因等待某种事件（如I/O操作）而被阻塞。进程调度算法先到先服务(FCFS)最简单的调度算法，按进程到达的顺序进行调度。最短作业优先(SJF)选择执行时间最短的进程，可提高系统吞吐量。优先级调度算法根据进程优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。时间片轮转(RR)将时间划分为时间片，每个进程轮流执行一个时间片。进程同步机制信号量信号量是一种用于进程同步的机制，它通过计数器来管理对共享资源的访问。管程管程是一种高级同步机制，它通过封装数据和操作来简化同步操作。互斥锁互斥锁确保一次只有一个进程可以访问共享资源，防止数据竞争。死锁概念和产生条件11.概念死锁是指多个进程因竞争资源而相互等待，导致所有进程都无法继续执行的现象。22.产生条件死锁的产生需要满足以下四个条件：互斥条件、请求和保持条件、不可剥夺条件和循环等待条件。33.举例例如，两个进程分别请求对方持有的资源，而无法获得，就会发生死锁。44.危害死锁会导致系统资源浪费，降低系统吞吐量，甚至导致系统崩溃。死锁的预防和避免预防死锁预防死锁的策略是通过限制系统资源的访问来防止死锁的发生。剥夺互斥条件破坏占有和等待条件打破循环等待条件避免死锁避免死锁的策略是在资源分配时进行动态检查，以避免进入死锁状态。银行家算法资源分配图算法内存管理概述内存管理是操作系统的重要组成部分，负责分配和回收内存资源，确保程序高效运行。内存管理的目标包括：有效利用内存空间、防止程序相互干扰、简化用户编程。连续内存分配方式单一连续分配整个内存空间只分配给一个进程，简单易实现，但内存利用率低，难以满足多个进程同时运行的需求。固定分区分配将内存划分成若干个大小固定的分区，每个分区只能分配给一个进程，提高了内存利用率，但可能导致内存碎片。可变分区分配内存分配大小可变，根据进程需求进行分配，提高了内存利用率，但会带来内存碎片问题。非连续内存分配方式11.分页存储将逻辑地址空间划分为大小相等的页面，物理地址空间划分为大小相等的页框，页面与页框之间一一对应。22.分段存储将程序逻辑地址空间划分为多个段，段的大小可变，每个段对应一个物理地址空间的段。每个段对应一个物理地址空间的段。33.段页式存储结合分页和分段两种方式，逻辑地址空间被划分为若干个段，每个段又进一步被划分为大小相等的页面。44.基址寄存器用来记录每个程序或进程在内存中的起始地址。虚拟内存技术虚拟内存概念虚拟内存技术允许程序使用超过物理内存大小的地址空间。它通过将程序代码和数据存储在磁盘上，并使用页面调度技术将需要访问的页面加载到物理内存中，从而实现更大的地址空间。优点支持多道程序设计，提高内存利用率。扩展了程序的地址空间，提高程序性能。增强了系统安全性，防止程序之间相互影响。页面置换算法先进先出（FIFO）FIFO算法是最简单的页面置换算法之一。它根据页面进入内存的顺序来选择要替换的页面。最近最少使用（LRU）LRU算法是一种更有效的算法，它根据页面最后一次被访问的时间来选择要替换的页面。最佳置换算法最佳置换算法能够预测未来将要访问的页面，并选择最不可能被访问的页面进行替换。文件管理概述文件管理是操作系统的重要组成部分。它负责管理计算机系统中的所有文件，包括创建、删除、修改、存储和检索文件。文件管理系统提供用户友好的接口，方便用户访问和操作文件。它还可以确保文件数据安全，防止数据丢失或损坏。文件的组成和属性文件名用于识别和访问文件，由文件名和扩展名组成。文件大小表示文件所占用的存储空间大小，以字节为单位。创建时间记录文件被创建的时间，用于追踪文件历史。文件所有者指创建或拥有该文件的用户，决定文件访问权限。目录结构树形结构树形结构是一种常见的目录结构，它将文件系统组织成一个树状结构，根目录是树的根节点，每个分支代表一个子目录。线性结构线性结构是一种简单的目录结构，它将文件系统组织成一个线性列表，每个文件或目录都有一个唯一的编号或名称。图形结构图形结构是一种灵活的目录结构，它允许文件和目录之间建立任意关系，例如链接和别名。文件系统的实现文件系统结构文件系统由多个层次结构组成，包括逻辑文件组织、物理存储组织、目录管理等。目录管理目录管理负责管理文件目录结构，提供文件查找、创建、删除等操作。存储空间管理存储空间管理分配和回收磁盘空间，采用不同的数据分配方式，如连续分配、链接分配等。文件系统接口文件系统提供接口供应用程序访问，包括打开、关闭、读写、定位等操作。I/O子系统I/O子系统是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统中的所有输入输出设备。它为应用程序提供统一的接口，屏蔽设备的硬件差异，提高系统效率。外设的管理和访问控制外设管理操作系统负责管理系统中所有外设。包括识别外设、分配资源和协调外设访问。不同类型的外设，如磁盘、打印机和网络接口，需要不同的管理策略。访问控制为了确保系统安全，操作系统要控制用户和进程对外设的访问权限。这包括验证用户身份、检查权限和限制对敏感设备的访问。磁盘管理磁盘分区将物理磁盘划分为多个逻辑分区，方便管理和分配空间。文件系统组织和管理磁盘上的文件和目录，提供访问和存储接口。磁盘优化通过碎片整理、磁盘碎片整理和磁盘缓存来提高磁盘性能。存储器管理11.存储器的层次结构存储器管理的核心任务是有效地管理不同层次的存储器，例如主存、高速缓存和外存，以提高程序执行效率。22.内存分配策略主要包括连续分配、分页、分段和虚拟内存技术，不同策略各有优劣，需要根据具体情况选择。33.存储器保护机制为了防止程序之间的相互干扰，操作系统需要实施存储器保护机制，例如地址空间隔离、权限控制等。44.内存管理算法例如页面置换算法和内存碎片整理算法，这些算法旨在优化内存使用，提高系统性能。系统安全与保护访问控制访问控制机制确保系统资源仅被授权用户访问，有效防止未经授权的访问和操作。数据加密使用加密算法对敏感数据进行加密，防止数据被窃取或篡改，确保数据安全。安全漏洞修复定期更新系统和软件，修复已知的安全漏洞，防止恶意攻击和入侵。用户身份验证通过用户名、密码或其他身份验证方式验证用户身份，确保系统访问者合法性。操作系统性能评估指标描述吞吐量单位时间内系统完成的任务数量响应时间系统对请求做出响应的时间CPU利用率CPU处于繁忙状态的时间百分比内存利用率内存被使用的比例磁盘I/O速度磁盘读取和写入数据的速度操作系统的发展趋势11.云计算云计算环境正在改变操作系统的设计，向更轻量级、虚拟化和可扩展的操作系统发展。2