《操作系统原理》课件

操作系统原理操作系统是计算机系统的核心组件之一。它管理系统资源，提供用户与硬件之间的接口。课程简介核心内容本课程涵盖操作系统基本原理，包括进程管理、内存管理、文件系统等核心概念。实践能力通过理论学习与实践演练，培养学生操作系统相关的编程能力和应用能力。教学目标帮助学生深入理解操作系统工作机制，为后续的软件开发和系统维护打下坚实基础。操作系统基础操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它管理着计算机系统的所有资源，并为用户提供一个友好的使用界面。操作系统是一种系统软件，它为应用软件提供运行环境，并管理硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和网络等。操作系统负责管理计算机系统中各种资源的分配和使用，包括CPU时间、内存空间、磁盘空间和网络带宽等。操作系统功能1资源管理操作系统负责管理计算机的各种资源，例如CPU、内存、存储设备和外设。2进程管理操作系统创建、调度和终止进程，以确保它们能够有效地共享CPU资源。3内存管理操作系统负责分配和回收内存空间，以满足不同进程的需求。4设备管理操作系统管理计算机上的各种输入/输出设备，例如键盘、鼠标、打印机和网络接口。操作系统结构单内核结构单内核结构将所有操作系统组件集成到一个内核中，提供系统级服务，确保系统稳定性和安全。例如，Linux、Unix。微内核结构微内核结构将操作系统核心功能最小化，其他服务作为独立模块运行，提高灵活性和可扩展性。例如，Mach、L4。混合内核结构混合内核结构结合了单内核和微内核的优点，提供高效性和灵活性的平衡。例如，Windows。进程管理进程管理是操作系统的重要组成部分，它负责创建、管理和终止进程。1创建进程进程创建需要分配资源并创建进程控制块。2管理进程管理进程包括调度、同步和通信。3终止进程进程终止需要释放资源并删除进程控制块。进程管理的任务是确保操作系统能够高效地利用系统资源，并为用户提供良好的服务。进程的状态就绪状态进程已准备好运行，但正在等待CPU时间。运行状态进程正在执行，其指令正在CPU上执行。阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O完成或资源可用。终止状态进程已完成执行，不再需要运行。进程控制块进程控制块(PCB)PCB是操作系统用来管理进程的结构，包含进程的基本信息和状态。关键属性进程标识符、进程状态、程序计数器、CPU寄存器、内存地址空间、I/O状态、优先级等信息。管理进程PCB用于调度、切换、同步、通信等进程管理操作。操作系统核心PCB是操作系统内核的重要数据结构，用于协调和控制进程的运行。进程调度算法先来先服务(FCFS)按进程到达时间先后顺序进行调度，简单易实现，但可能导致较长等待时间。最短作业优先(SJF)选择执行时间最短的进程，提高系统吞吐率，但难以预测未来执行时间。时间片轮转(RR)给每个进程分配一个时间片，轮流执行，实现公平性，但可能导致较多上下文切换。优先级调度根据进程优先级高低进行调度，可灵活调整，但可能导致饥饿现象。并发问题与解决方案并发是指多个程序或进程同时运行，共享系统资源。这会导致一些问题，例如资源竞争、数据一致性问题和死锁。1竞争条件多个进程同时访问共享资源，可能导致数据不一致。2死锁两个或多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行。3数据一致性多个进程对共享数据进行修改，可能导致数据丢失或不一致。操作系统提供了一些机制来解决并发问题，例如互斥锁、信号量和条件变量。这些机制可以确保对共享资源的访问是互斥的，并且数据的一致性得到保证。同步与互斥同步多个进程需要协调工作才能完成任务，例如多个进程同时访问共享资源，需要确保数据的完整性和一致性。互斥确保同一时间只有一个进程能够访问共享资源，以防止数据冲突和不一致。例如，一个进程在写数据时，其他进程无法访问或修改数据，直到写操作完成。死锁问题与预防11.资源竞争多个进程竞争有限的资源，例如打印机或CPU时间。22.循环等待多个进程互相等待对方持有的资源，形成一个循环。33.解决方案死锁预防、死锁避免、死锁检测和死锁恢复。44.预防策略打破循环等待条件，破坏系统资源的分配顺序。内存管理1内存分配操作系统负责管理计算机的内存资源，为不同的程序分配内存空间，避免相互干扰。2内存保护防止程序访问未分配给它的内存区域，保护操作系统和其它程序的安全，避免系统崩溃。3内存共享多个程序共享内存，例如共享库和数据，提高内存使用效率。虚拟内存概述概念虚拟内存是一种内存管理技术，它允许程序使用比物理内存更大的地址空间。它使用硬盘空间作为虚拟内存的一部分，将程序和数据加载到内存中，并根据需要进行交换。优势虚拟内存可以让程序运行在比物理内存小的系统中，并提高系统效率。它还可以帮助程序访问更多的内存，并提高系统的安全性。工作原理虚拟内存使用页表来映射虚拟地址和物理地址。当程序访问虚拟地址时，页表会将虚拟地址转换为物理地址，并从内存或硬盘中读取数据。应用场景虚拟内存广泛应用于现代操作系统，例如Windows，Linux，macOS等。它对于运行大型程序或多任务处理至关重要。页式/段式管理页式管理将逻辑地址空间划分为固定大小的页，物理内存也划分为相同大小的页框。段式管理将逻辑地址空间划分为大小可变的段，物理内存也划分为大小可变的段框。页面置换算法最佳置换算法(OPT)最佳置换算法是理想情况下最优算法，它选择未来最长时间不会被访问的页面进行替换，但无法在实际应用中实现。先进先出(FIFO)最先进入内存的页面被最先替换，简单易实现，但可能将经常使用的页面替换出去。最近最少使用(LRU)替换最近最少使用的页面，假设最近不使用的页面将来也不太可能被使用，在实际应用中效果较好。时钟算法时钟算法是一种近似LRU的算法，它使用一个循环队列记录页面的使用情况，选择最近最少使用的页面进行替换。设备管理硬件抽象层操作系统为用户程序提供统一的接口，屏蔽底层硬件差异，简化用户程序开发。设备驱动程序操作系统提供专用的驱动程序，控制特定类型的硬件设备，实现设备的访问和控制。设备分配和管理操作系统负责分配和管理系统中的各种设备，例如CPU、内存、磁盘、打印机等。设备独立性用户程序可以通过统一的接口访问各种设备，无需关心具体设备的类型和驱动程序。I/O调度操作系统负责管理和调度I/O操作，提高系统效率，减少等待时间。磁盘管理1数据存储硬盘是操作系统存储数据的主要媒介。它包含扇区、磁道和柱面，以组织数据。2磁盘调度算法磁盘调度算法优化了磁头移动，减少了磁盘访问时间，提高了系统效率。3文件系统支持磁盘管理系统提供文件系统接口，允许操作系统将数据组织成文件和目录。4数据安全磁盘管理系统通过备份、恢复和数据校验机制，确保数据安全性和完整性。文件系统文件组织方式文件系统负责组织和管理存储在磁盘上的文件。它使用目录结构来组织文件，允许用户方便地创建、删除、修改和访问文件。树形结构线性结构文件存储策略文件系统需要选择合适的存储策略，例如连续分配、链接分配或索引分配。这些策略影响着文件存储的效率和性能。文件组织与存储目录结构文件组织成层次结构，方便管理。磁盘分配文件分配磁盘空间，采用多种分配策略。索引节点索引节点包含文件属性和数据块地址信息。文件访问控制访问权限用户访问文件有三种权限：读取、写入和执行。访问控制列表ACL详细记录文件所有者、组和其他用户对文件的访问权限。安全策略操作系统强制执行安全策略，保护系统资源和用户数据。安全与保护访问控制操作系统提供访问控制机制，以确保系统资源的安全性。例如，用户账户、权限管理、文件访问权限等。数据完整性保护数据免受未经授权的修改和删除。例如，使用校验和、加密等技术，保证数据的完整性。系统安全防止恶意软件、病毒、黑客攻击等安全威胁，维护系统的稳定性和可靠性。系统调用定义系统调用是用户程序与操作系统内核之间的接口，提供用户程序访问系统资源的能力。机制用户程序通过系统调用指令发起请求，内核根据请求类型进行处理并返回结果。类型常见的系统调用包括进程管理、内存管理、文件系统、网络通信、设备管理等。优势系统调用保证了系统安全性和稳定性，也简化了用户程序的开发。中断处理机制1中断发生CPU遇到外部事件2中断处理CPU保存当前状态3中断服务程序处理中断事件4返回恢复原状态中断处理机制是操作系统的重要组成部分。当CPU遇到外部事件，如键盘输入或磁盘读写完成，就会触发中断。中断处理机制负责将CPU从当前工作状态切换到中断处理状态，并执行相应的程序，最终返回原状态。操作系统引导过程1加电自检(POST)计算机通电后，首先执行BIOS自检程序，测试硬件是否正常工作。2引导加载程序(BootLoader)从硬盘或其他启动设备加载操作系统引导程序，它负责初始化系统并将控制权传递给操作系统内核。3操作系统内核加载操作系统内核被加载到内存，并初始化系统资源，包括内存、中断、进程等。4系统初始化完成系统初始化后，操作系统开始加载驱动程序，并进入用户界面，等待用户命令。实时操作系统实时性实时操作系统必须及时响应外部事件，并在预定的时间内完成任务。确定性实时操作系统必须能够预测系统对事件的响应时间，并保证系统行为的一致性。可靠性实时操作系统必须保证系统的高可靠性和稳定性，防止意外事件导致系统崩溃。应用领域实时操作系统广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗设备等领域。嵌入式操作系统资源受限嵌入式系统通常具有有限的内存、处理器和存储空间。实时性嵌入式系统通常需要在严格的时间限制内完成任务，这对于实时应用至关重要。专用性嵌入式操作系统通常针对特定硬件和应用程序进行优化，这使得它们非常高效且可靠。可靠性嵌入式系统通常需要在极端条件下运行，因此可靠性至关重要。案例分析:Windows操作系统Windows操作系统是全球最流行的操作系统之一，它支持各种硬件和软件，为用户提供图形界面和多任务处理功能。Windows操作系统采用微内核架构，它包含多个组件，例如文件系统、内存管理、进程管理等。Windows操作系统具有广泛的应用程序支持，可以满足各种用户的需求，从日常办公到游戏娱乐。案例分析:Linux操作系统Linux操作系统是开源的，广泛应用于服务器、嵌入式系统和桌面环境。其特点包括：开源和免费稳定可靠强大的社区支持丰富的软件库操作系统发展趋势1云计算与虚拟化云计算平台提供灵活的资源和可扩展性。虚拟化技术可以创建多个虚拟机，提高资源利用率。2人工智能与机器学习人工智能在操作系统中应用越来越广泛，例如智