《操作系统结构》课件

操作系统结构操作系统是计算机系统中重要的组成部分，它管理着硬件资源和软件资源，为用户提供一个友好的使用环境。课程目标11.理解操作系统基本概念学习操作系统的基本概念和重要概念，如进程、线程、内存管理和文件系统等。22.掌握操作系统工作原理深入了解操作系统的工作原理，包括进程管理、内存管理、文件管理和I/O管理等。33.运用操作系统知识解决实际问题能够将操作系统知识应用于实际问题，例如优化系统性能、提高系统效率等。44.培养分析问题和解决问题的能力通过学习操作系统，培养分析问题和解决问题的能力，提高计算机系统应用水平。课程大纲操作系统概述操作系统的定义、功能、目标和分类。进程管理进程概念、进程状态、进程控制、进程通信、进程同步。内存管理内存分配策略、虚拟内存、页面置换算法。文件管理文件系统结构、文件操作、目录管理。操作系统概述操作系统是管理计算机硬件和软件资源的软件。它提供了用户与计算机之间的接口，并为应用程序提供运行环境。操作系统负责管理计算机的内存、文件系统、进程、网络等资源，为用户提供安全、高效、友好的使用体验。操作系统的功能资源管理操作系统管理计算机系统资源，包括处理器、内存、存储器和外设。进程管理操作系统控制和管理进程的创建、执行和终止。安全管理操作系统提供安全措施，保护系统免受恶意访问和破坏。用户界面操作系统提供用户与计算机交互的方式，例如图形用户界面或命令行界面。操作系统的体系结构1内核操作系统核心，负责管理系统资源2系统调用接口用户程序与内核交互的桥梁3系统程序提供用户程序所需的工具和服务4用户程序运行在操作系统之上的应用程序操作系统体系结构是一个层次化的结构，由内核、系统调用接口、系统程序和用户程序组成。进程管理进程的概念一个正在执行的程序的实例，拥有自己的内存空间和资源。进程调度操作系统如何分配CPU时间给多个进程。进程通信进程之间共享数据和资源的方式，如管道、消息队列、共享内存。进程同步协调多个进程访问共享资源，防止数据冲突和死锁。线程轻量级进程线程是进程的一部分，是进程的执行单元。线程比进程更轻量级，创建和销毁更快。多个线程共享同一个进程的资源，如地址空间、文件等。并发执行一个进程可以创建多个线程，多个线程可以并发执行，提高程序效率。线程之间的切换比进程之间的切换更快，因此可以更好地利用CPU时间片。CPU调度CPU调度是操作系统的重要组成部分，负责管理CPU资源，决定哪个进程或线程可以获得CPU的使用权。CPU调度算法直接影响系统性能，例如响应时间、吞吐量和资源利用率等。1先来先服务最简单的调度算法，按照进程到达的顺序进行调度。2最短作业优先每次选择运行时间最短的进程。3优先级调度根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先获得CPU。4时间片轮转每个进程分配一个时间片，依次执行，时间片用完则切换到下一个进程。5多级反馈队列多个队列，根据进程的特性和优先级进行调度。死锁互斥条件多个进程竞争一个资源，只能由一个进程使用。占有并等待条件一个进程已经占有了至少一个资源，但又需要另外一个资源，而该资源被另一个进程占用。不可剥夺条件进程已经占用的资源不能被其他进程强行剥夺，只能由该进程自己释放。循环等待条件存在一个循环的进程等待资源，例如P1等待P2的资源，P2等待P3的资源，P3等待P1的资源。死锁的处理1预防死锁通过设置资源分配规则和限制进程请求资源的方式来防止死锁发生，例如，银行家算法。2避免死锁在资源分配过程中，动态地检测和避免死锁的出现，例如，资源分配图算法。3检测与解除死锁监控系统状态，检测死锁，并通过回滚、抢占或终止进程等方式解除死锁。内存管理内存管理概述操作系统管理内存资源。负责分配和回收内存，提高内存利用率。同时需要防止进程之间相互干扰，保证系统稳定运行。内存管理的目标最大化内存利用率提高系统性能保护用户程序和数据提供灵活的内存分配机制虚拟存储器扩展内存空间虚拟内存允许程序使用超过物理内存的地址空间，可以访问超出物理内存大小的数据。硬盘作为扩展内存虚拟内存利用硬盘作为辅助存储器，将部分数据存储在硬盘上，以模拟更大容量的内存。提高系统效率虚拟内存通过将部分未使用的数据移至硬盘，提高了多任务处理的效率。页面置换算法最佳页面置换算法该算法选择未来最长时间不会被访问的页面进行替换，但无法在实际系统中实现。先进先出（FIFO）算法该算法选择在内存中驻留时间最长的页面进行替换，简单易实现但性能较差。最近最少使用（LRU）算法该算法选择最近最少使用的页面进行替换，性能较好，但实现较为复杂。时钟页面置换算法该算法是一种近似LRU算法，通过维护一个循环队列，用访问位来记录页面的使用情况。文件管理11.文件存储文件管理系统负责将数据存储在磁盘等存储设备上，并管理这些存储空间。22.文件组织文件组织是指根据文件类型、创建时间等属性将文件进行分类和管理，以便于用户快速查找和访问。33.文件访问文件管理系统提供各种方法供用户访问文件，包括创建、删除、修改、复制和移动等操作。44.文件保护文件管理系统还负责保护文件安全，防止非法访问和修改，例如设置访问权限和加密等措施。目录结构11.树形结构大多数文件系统采用树形结构组织文件和目录，方便查找和管理。22.根目录树形结构的根目录是文件系统的起始点，所有其他目录和文件都在它的子树中。33.路径路径是访问文件或目录的地址，可以是绝对路径或相对路径。44.文件名文件名是每个文件的唯一标识，包含扩展名，可以识别文件类型。文件系统层次结构文件系统通常采用树状结构组织文件和目录，以便进行有效管理和访问。磁盘管理文件系统负责将文件存储在磁盘上，并提供机制管理磁盘空间和文件分配。安全与权限文件系统通过访问控制列表（ACL）等机制保护文件安全，并控制用户对文件的访问权限。I/O子系统I/O设备I/O设备指操作系统管理的硬件设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机、硬盘等。I/O设备根据其速度和数据传输方式可分为字符设备和块设备。I/O控制操作系统控制和管理I/O设备，确保应用程序安全地访问它们。通过I/O控制器，操作系统可以进行设备驱动程序加载、中断处理、缓冲区管理等操作。设备驱动程序硬件接口设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，它们提供标准化的接口供操作系统调用。管理设备驱动程序负责控制设备的操作，例如启动、停止、读写数据等，并处理设备中断和错误。系统资源驱动程序还负责管理设备的资源，例如内存、中断、I/O端口等。磁盘管理磁盘空间分配磁盘空间分配策略，例如连续分配、链接分配、索引分配等。文件系统管理文件系统管理包括目录结构、文件访问控制、文件保护等。磁盘备份与恢复备份重要数据以防意外丢失，并提供恢复策略。作业管理作业管理的概念作业管理是指操作系统管理用户提交的作业，从提交到完成的整个过程。作业管理负责接收用户作业，分配系统资源，并调度作业执行。作业管理的功能作业管理的主要功能包括作业的接收、作业的调度、作业的执行、作业的撤销和作业的完成。作业管理确保系统资源的合理分配和利用，并提高系统效率。作业调度算法先来先服务(FCFS)最简单的调度算法，按作业到达的顺序进行调度。最短作业优先(SJF)选择运行时间最短的作业，提高系统吞吐量。优先级调度根据作业的优先级进行调度，高优先级作业优先执行。时间片轮转(RR)每个作业轮流执行一段时间片，实现公平性。多级反馈队列将作业分层调度，提高响应时间和吞吐量。用户接口图形用户界面图形用户界面(GUI)提供直观的交互方式，使用图形元素和鼠标操作，提高用户体验。命令行界面命令行界面(CLI)使用文本命令与操作系统交互，适合专业用户和自动化操作。触摸屏界面触摸屏界面为移动设备提供直观的交互方式，支持手势操作和触控输入。虚拟现实界面虚拟现实界面提供沉浸式交互体验，使用VR设备模拟真实环境，用于游戏、教育和培训。命令解释器用户与内核桥梁命令解释器是用户与操作系统内核之间的桥梁，它接受用户输入的命令并将其解释为内核能够理解的操作。命令解析和执行命令解释器负责解析用户输入的命令，将其分解为内核能够理解的指令，并调用相应的系统调用来执行这些指令。交互式界面命令解释器通常提供交互式界面，允许用户输入命令并立即获得反馈，这使得用户能够方便地与操作系统交互。批处理脚本命令解释器还可以执行批处理脚本，这是一种预先编写的一系列命令，可以自动执行特定任务，提高工作效率。图形用户界面图形用户界面(GUI)提供友好的用户交互方式，使用图形元素、菜单、窗口和图标来代替命令行界面。GUI使操作系统的使用更加直观和易于学习，即使没有编程经验的用户也能轻松使用。实时操作系统实时性实时操作系统要求系统对事件作出及时响应，通常用于控制工业设备或嵌入式系统。确定性实时操作系统需要确定响应时间，确保系统在预定时间内完成任务。可靠性实时操作系统必须高度可靠，因为它们通常用于关键任务应用程序，如航空航天或医疗设备。嵌入式操作系统专用性嵌入式操作系统通常为特定硬件和应用程序定制设计，具有高度的专用性。资源受限嵌入式系统通常具有有限的内存、处理器速度和存储空间，需要精简的操作系统设计。实时性许多嵌入式应用需要实时响应，例如控制系统或工业自动化，要求操作系统具有高实时性。可靠性嵌入式系统通常运行在关键任务环境中，需要高度的可靠性和稳定性，以确保系统正常运行。分布式操作系统资源共享多个计算机协同工作，共享资源，如硬件、软件和数据。透明性用户对分布式系统的感知如同单机系统，屏蔽分布式系统细节。高可用性通过冗余节点，系统可以容忍部分节点故障，提高系统稳定性。可扩展性通过添加新的节点，可以扩展系统的处理能力，满足不断增长的需求。云操作系统虚拟化云操作系统通过虚拟化技术，将物理资源划分为多个虚拟资源。弹性可以根据用户的需求动态调整资源分配，实现按需使用。分布式云操作系统分布在多个数据中心，提供高可用性和容错能力。服务化将操作系统功能抽象为服务，用户可以按需使用。未来操作系统的发展云计算集成未来操作系统将更加紧密地与云计算平台集成，提供更强大的资源共享和服务能力。人工智能融入人工智能将进一步融入操作系统，提升系统效率和安全性，实现更智能化的管