华科电信系操作系统课件cha

华中科技大学电信系操作系统课程本课程将深入探讨操作系统的核心概念和实现细节。涵盖了进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等关键主题。操作系统概述操作系统是计算机系统中必不可少的软件。它负责管理计算机硬件资源，为应用程序提供运行环境。操作系统是一个复杂的软件系统，它协调了计算机的各个部分，使它们能够有效地协同工作。操作系统的功能和特点资源管理操作系统管理计算机的硬件资源，包括CPU、内存、外设等，为用户提供统一的访问接口。进程管理操作系统负责创建、调度、终止进程，协调多个进程共享CPU和内存资源。文件管理操作系统管理文件存储，提供文件创建、删除、读写、修改等功能，方便用户组织和使用数据。安全性操作系统提供安全机制，保护系统资源不被恶意访问或破坏，保障系统安全运行。操作系统的发展历程早期操作系统以批处理系统为代表，例如IBM的OS/360。这些系统旨在提高计算机利用率，但缺乏交互性和灵活性。分时系统例如UNIX和Multics，允许多个用户同时使用计算机，并提供交互式界面。个人计算机操作系统例如MS-DOS和ApplemacOS，为个人电脑提供用户友好的界面和应用程序支持。现代操作系统例如Windows、Linux和Android，支持多任务处理、图形界面、网络连接和安全功能。操作系统的分类单用户单任务操作系统这类操作系统只能允许一个用户使用，并且同一时间只能运行一个程序。例如，早期的DOS系统。单用户多任务操作系统这类操作系统允许一个用户同时运行多个程序。例如，Windows和macOS。多用户多任务操作系统这类操作系统允许多个用户同时使用，并且每个用户都可以运行多个程序。例如，Linux和Unix。实时操作系统(RTOS)这类操作系统专门为实时应用设计，例如工业控制和嵌入式系统。RTOS对时间要求严格，必须在严格的时限内完成任务。进程管理进程是操作系统中重要的概念，是资源分配和调度执行的基本单位。进程管理负责创建、撤销、挂起、恢复、调度、同步和通信等操作。进程的概念和特点程序的执行过程进程是正在执行的程序的一个实例，它包含了程序代码、数据和系统资源。动态资源分配进程拥有自己独立的地址空间和资源，包括内存、文件和设备等。并发执行多个进程可以在系统中同时执行，并共享系统资源。独立性进程之间相互独立，拥有独立的资源和执行环境。进程的状态及转换1就绪状态进程已准备好运行，但正在等待CPU资源分配。2运行状态进程正在CPU上执行。3阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成。操作系统会根据资源可用性、优先级等因素，将进程在不同的状态之间转换。例如，当一个进程从就绪状态转换为运行状态时，说明该进程获得了CPU资源。进程的同步与互斥进程同步进程同步是指多个进程按照一定的顺序进行执行,确保它们之间相互配合,实现共同的目标.常见的同步机制包括信号量,互斥锁,条件变量等,可以有效地协调多个进程之间的交互.进程互斥进程互斥是指多个进程不能同时访问共享资源,以防止数据不一致或错误.常见的互斥机制包括临界区,信号量,互斥锁等,可以有效地保护共享资源,防止并发访问导致的错误.死锁问题操作系统中的一个关键问题。当多个进程相互等待对方释放资源时，就会发生死锁，导致所有进程无法继续执行。死锁的概念和原因11.死锁的概念多个进程相互竞争资源，造成互相等待，最终导致所有进程都无法继续执行的状态。22.死锁产生的原因竞争不可抢占资源，如打印机或文件。多个进程同时请求资源，导致资源不足。33.死锁产生的原因进程间相互等待资源，形成循环等待，例如进程A等待进程B释放资源，进程B等待进程A释放资源。44.死锁产生的原因系统设计或代码错误，导致进程陷入死锁状态。死锁的预防和解决死锁的预防死锁的预防策略旨在通过限制资源分配方式来避免死锁的发生。互斥条件：确保同一时间只有一个进程可以使用某一资源。占有并等待：禁止进程在等待其他资源时占用已分配的资源。非剥夺条件：阻止进程强行夺取其他进程已占用的资源。循环等待条件：避免资源分配形成循环依赖关系。死锁的解决死锁的解决策略是在发生死锁后采取措施，恢复系统运行。死锁检测：利用算法定期检测系统状态，识别是否存在死锁。死锁解除：选择牺牲一个或多个进程，释放资源，解除死锁。回滚：将进程回退到之前状态，释放资源，重试操作。内存管理内存管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理计算机系统的内存资源。内存管理的主要目标是提高内存利用率，防止程序之间的相互干扰，并为应用程序提供高效的内存访问机制。内存分配策略连续分配每个进程在内存中占据一段连续的空间，简单易懂，但容易造成内存碎片。分页分配将程序地址空间划分为大小相等的页面，物理内存划分为大小相等的页框，方便程序的装入和调出，提高内存利用率。分段分配将程序地址空间划分为逻辑上独立的段，每个段可以拥有不同的属性，方便代码管理，但也增加了复杂度。虚拟内存将磁盘空间作为虚拟内存的一部分，在程序运行过程中按需加载到物理内存，可以执行更大的程序，但需要额外的磁盘访问时间。虚拟内存技术物理内存不足虚拟内存技术可以解决物理内存不足问题，通过将一部分磁盘空间作为虚拟内存，扩展了系统的内存空间。多任务处理在虚拟内存技术的帮助下，操作系统可以加载多个程序到内存中，并为每个程序提供虚拟内存空间，实现多任务并行运行。提高效率虚拟内存技术通过分页或分段机制，将程序分割成多个页面或段，并按需加载到内存中，减少了内存浪费，提高了系统效率。数据交换虚拟内存技术在内存和磁盘之间进行数据交换，将不活跃的页面或段交换到磁盘，以腾出空间给更活跃的页面或段使用。文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对文件进行组织、存储和访问。文件管理系统为用户提供了一种方便的方式来管理数据，同时确保数据的完整性和安全性。文件的概念和特性11.数据集合文件是存储在计算机上的相关数据的集合，可以是文本、程序、图像、音频或视频等。22.逻辑结构操作系统以逻辑结构的方式组织文件，抽象出独立的组织方式，而不依赖于物理存储细节。33.命名和访问文件通过文件名进行识别，操作系统提供访问和管理文件的机制，保证数据完整性和安全性。44.属性描述文件拥有属性描述，例如大小、创建时间、所有者、权限等，用于管理和控制文件使用。文件系统的结构1文件系统结构文件系统结构是指操作系统组织和管理文件的方式，它决定了文件的存储和访问方式。2层次结构层次结构将文件组织成树形结构，每个目录可以包含多个子目录和文件，方便用户管理和访问文件。3线性结构线性结构将文件以线性方式排列，所有文件都在同一个目录下，访问文件时需要按顺序查找，不利于文件管理。磁盘管理磁盘管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和组织磁盘上的数据。它包括磁盘分区、文件系统管理、磁盘空间分配、磁盘调度等方面，保证数据存储的安全性、可靠性和效率。磁盘的基本概念存储介质磁盘是用于存储数据的存储介质。它由一个或多个圆盘组成，每个圆盘都有一个磁性表面，数据以磁性方式存储在表面上。数据访问方式磁盘数据访问方式称为顺序访问，通过磁盘控制器将数据读写到磁性表面上。磁盘结构磁盘由磁盘盘片、磁头、驱动器和控制器组成。磁盘类型常见的磁盘类型包括硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）和软盘（FloppyDisk）。磁盘分区和阵列技术磁盘分区将硬盘划分为多个逻辑磁盘，提高磁盘管理效率和数据安全，提升系统性能。磁盘阵列多个物理硬盘组成一个逻辑硬盘，提高存储容量，增强可靠性和性能。数据冗余RAID技术提供数据冗余，即使硬盘损坏，也不影响数据访问，提升数据安全。输入/输出管理操作系统对I/O设备的管理，提供统一的接口，方便用户使用。I/O管理包括设备驱动程序、I/O中断处理、缓冲区管理、设备分配、数据传输等。I/O设备的种类和特点1输入设备键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等，将外部信息转换为计算机可以识别的信号。2输出设备显示器、打印机、扬声器等，将计算机处理的结果转换成人类可以理解的形式。3存储设备硬盘、光盘、U盘等，用于存储数据和程序，可分为主存和辅存。4通信设备调制解调器、网卡等，用于与其他计算机或网络进行数据交换。I/O软件接口系统调用用户程序通过系统调用请求操作系统提供I/O服务，并获取系统资源，例如打开、读取、写入、关闭文件。设备驱动程序驱动程序是操作系统与I/O设备之间的桥梁，负责控制I/O设备的硬件操作。I/O控制模块该模块负责管理I/O设备的分配和使用，并提供统一的接口供用户程序调用。设备驱动程序硬件与软件桥梁设备驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁，提供统一的接口供应用程序调用，屏蔽硬件差异。I/O请求处理驱动程序负责接收来自操作系统的I/O请求，并将其转化为硬件可以理解的指令。设备管理驱动程序负责管理硬件资源，包括分配、释放和控制硬件设备，确保不同程序访问设备的协调性。操作系统的安全性操作系统安全性是至关重要的，它保护着系统资源和用户数据免受攻击。安全威胁包括恶意软件、网络攻击和非法访问等，操作系统需要提供安全机制来抵御这些威胁。操作系统安全威胁及防御安全威胁恶意软件攻击，例如病毒、蠕虫和木马，可能损害系统文件和数据。未经授权的访问可能导致数据泄露或系统故障。系统漏洞可能会被黑客利用，导致安全漏洞和数据丢失。防御措施安装防病毒软件和防火墙来抵御恶意软件和网络攻击。定期更新操作系统和软件以修复安全漏洞。实施访问控制策略，限制用户对系统资源的访问权限。操作系统性能评估操作系统性能评估是衡量其效率和有效性的关键步骤。性能指标包括吞吐量、响应时间、资源利用率等。性能指标和评估方法CPU利用率CPU利用率衡量的是CPU资源的使用程度，较高利用率意味着系统繁忙，而过低利用率则意味着资源浪费。内存利用率内存利用率反映的是系统内存的有效使用情况，较高内存利用率可能导致系统性能下降，而过低利用率则意味着资源浪费。磁盘I/O速度磁盘I/O速度衡量的是磁盘