《操作系统陆丽娜》课件

操作系统操作系统是计算机系统中最重要的组成部分之一。它管理和控制计算机硬件资源，为用户提供一个友好的界面，并负责运行应用程序。教学目标11.理解操作系统的基本概念学习操作系统的重要概念，例如进程、线程、内存管理、文件系统等。22.掌握操作系统的主要功能了解操作系统的核心功能，如进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等。33.熟悉常见操作系统的特点了解不同类型操作系统，如Windows、Linux、macOS等，并熟悉它们的特点和应用场景。44.培养操作系统设计和应用的能力通过学习，学生可以更好地理解操作系统的设计原理，并能应用相关知识解决实际问题。什么是操作系统操作系统是计算机系统的核心软件。它负责管理计算机硬件资源，并为应用程序提供运行环境。操作系统就像计算机的指挥官，协调各个硬件组件，执行用户指令。操作系统的功能管理计算机硬件资源操作系统管理计算机硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和打印机。它分配资源给不同的应用程序，并确保资源的有效利用。提供用户界面操作系统提供用户界面，例如命令行界面或图形用户界面，使用户能够与计算机交互。它还提供工具和应用程序，帮助用户完成各种任务。管理文件和数据操作系统管理文件和数据，包括创建、删除、复制和移动文件。它还提供文件系统，使用户能够组织和访问数据。提供安全机制操作系统提供安全机制，例如用户身份验证和访问控制，保护系统免受恶意攻击。它还管理用户权限，以防止未经授权的访问。操作系统的分类批处理操作系统批处理操作系统将一批作业提交给系统，并按顺序执行，无需用户交互。分时操作系统分时操作系统将CPU时间分配给多个用户，每个用户都可以在短时间内获得响应。实时操作系统实时操作系统要求系统对事件做出快速响应，通常用于工业控制和嵌入式系统。网络操作系统网络操作系统支持多个计算机连接到一个网络，并共享资源和数据。进程管理进程概念进程是程序的一次执行过程，它包含了程序代码、数据和系统资源。进程管理功能操作系统负责创建、撤销、挂起、恢复、调度进程，并管理进程之间的同步和通信。进程控制块（PCB）每个进程都有一个PCB，它存储了进程的标识、状态、资源等信息，是操作系统管理进程的关键数据结构。进程状态进程在生命周期中会经历多个状态，例如就绪状态、运行状态、阻塞状态等。进程的状态与转换1新建进程被创建但尚未分配资源2就绪进程已分配资源，等待CPU3运行进程正在使用CPU4阻塞进程等待某个事件发生5终止进程完成或发生错误进程状态转换是指进程在生命周期中状态的变化。进程的生命周期包括五种状态：新建、就绪、运行、阻塞和终止。进程间通信进程间通信（IPC）允许不同进程共享数据和资源。IPC机制用于协调进程之间的活动，提高系统效率。常见IPC机制包括管道、消息队列、共享内存和信号量。死锁问题互锁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。资源争夺当多个进程竞争使用相同的资源时，会导致死锁。进程阻塞当一个进程无法获取所需的资源时，它将被阻塞，无法继续执行。死锁的四个必要条件互斥条件资源只能被一个进程独占使用，其他进程无法访问该资源。请求和保持条件进程已经拥有至少一个资源，但又请求另一个资源，被阻塞。不可剥夺条件进程拥有的资源不能被其他进程强制剥夺，只有进程主动释放资源。循环等待条件存在一个闭环的进程序列，每个进程都等待下一个进程释放的资源。死锁的预防和避免死锁预防通过破坏死锁的四个必要条件来防止死锁发生，例如采用资源预先分配策略或禁止循环等待。死锁避免在资源分配过程中动态检测可能导致死锁的状况，并采取措施避免其发生，例如银行家算法。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，为运行的程序提供内存空间。1内存分配为程序分配内存空间2内存保护防止程序访问未授权的内存区域3内存共享允许多个程序共享相同的内存区域4内存回收释放不再使用的内存空间内存分配策略1首次适应算法从内存的起始地址开始查找，直到找到一个足够大的空闲分区来容纳该进程。2最佳适应算法从内存中查找最小的可用分区，并将其分配给该进程。3最差适应算法从内存中查找最大的可用分区，并将其分配给该进程。4伙伴系统将内存分成不同大小的块，每个块的大小都是2的幂。虚拟内存扩大地址空间虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间，克服物理内存限制。提高多道程序度虚拟内存允许系统同时运行多个程序，即使物理内存有限，也能提高系统效率。提高内存利用率将程序分段存储在磁盘和内存中，根据需要加载和替换，提高内存利用率，降低内存碎片。增强系统安全性虚拟内存通过地址空间隔离，保护了不同进程的内存空间，增强了系统安全性。页面置换算法最佳置换算法该算法假设可以预测未来对页面的访问，选择最久不会被访问的页面进行置换。该算法无法在实际系统中实现，但提供了一个性能评估的基准。先进先出算法FIFO算法按照页面进入内存的顺序进行置换，先进入内存的页面最先被置换出去。该算法简单易实现，但可能会出现Belady现象，即内存容量增大时反而导致页面失效次数增加。设备管理1设备管理概述设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和控制计算机系统中的各种硬件设备。2设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，用于控制设备的运行和数据传输。3设备分配与调度操作系统负责将设备分配给不同的进程，并根据需求对设备进行调度，以提高效率。磁盘管理磁盘调度算法提高磁盘利用率，减少磁盘等待时间，常见算法包括先来先服务，最短寻道时间优先，扫描算法，循环扫描算法。磁盘空间管理管理磁盘空间分配和回收，常用的方法包括连续分配、链接分配、索引分配。磁盘坏块管理磁盘坏块是指不能正常使用的磁盘空间，需要检测并进行标记，避免误操作，例如：磁盘坏块管理技术。文件管理1文件系统操作系统将数据存储在磁盘上，文件系统提供了管理文件的方式，确保数据组织合理，并为用户提供访问接口。2目录结构文件系统采用层次化的目录结构，方便用户管理文件，可以根据不同的类型进行分类，例如图片、文档、视频等。3文件属性每个文件都有属性，例如文件名、大小、创建时间、修改时间、所有者、权限等等，这些信息方便用户了解文件信息。4文件操作文件操作主要包括创建、打开、读写、删除、移动、复制、重命名等操作，用户可以通过这些操作来管理文件。文件系统结构层次结构文件系统采用树形结构，根目录位于顶部，其他目录和文件位于其下方。树形结构提供了清晰的文件组织方式，方便用户查找和访问文件。文件目录文件目录包含文件和子目录的列表，并提供指向其在磁盘上的位置的指针。目录结构使文件组织更加灵活，方便用户管理大量文件。文件存取方式顺序存取顺序存取是最简单的文件存取方式，文件只能按照顺序读写，访问速度较慢。直接存取直接存取允许用户直接访问文件中的任何位置，无需顺序访问，访问速度较快。索引存取索引存取利用索引结构快速定位文件中的特定记录，访问速度快，适合需要随机访问的文件。安全与保护访问控制防止未经授权的访问，例如用户权限和密码验证。恶意软件防护抵御病毒、蠕虫、木马等恶意软件的攻击，确保系统安全稳定。数据完整性确保数据不被篡改或破坏，并提供数据恢复机制。访问控制机制基于用户的访问控制根据用户的身份和权限，确定用户对系统资源的访问权限，限制用户操作。基于角色的访问控制将用户分配到不同的角色，每个角色拥有特定的权限，角色可以访问特定资源。基于对象的访问控制将系统资源划分为不同的对象，每个对象具有特定的访问控制列表，定义哪些用户可以访问哪些对象。操作系统安全威胁1病毒恶意软件会复制自身，损害系统文件。2网络攻击黑客利用漏洞，窃取或破坏数据。3身份盗窃攻击者获取敏感信息，进行非法操作。4拒绝服务攻击攻击者阻止合法用户访问系统或服务。安全措施访问控制访问控制机制是操作系统安全的重要组成部分。它通过限制用户对系统资源的访问来保护系统免受未经授权的访问。加密数据加密可以有效地保护敏感信息。通过将数据转换为只有授权用户才能理解的格式，加密可以防止未经授权的访问。防火墙防火墙是一种网络安全设备，它可以阻止来自外部网络的未经授权的访问。防火墙通过检查进出网络的数据包来工作。入侵检测系统入侵检测系统(IDS)用于检测和响应对系统资源的恶意攻击。IDS通过监控网络和系统活动来识别可疑行为。操作系统的历史发展早期操作系统20世纪50年代出现，例如通用自动计算机(UNIVAC)和IBM的7090系统。批处理操作系统20世纪60年代，例如IBM的OS/360和通用电气公司的Multics系统。分时操作系统20世纪70年代，例如Unix系统和IBM的VM/370系统。个人计算机操作系统20世纪80年代，例如苹果的MacOS和微软的MS-DOS系统。图形用户界面(GUI)操作系统20世纪90年代，例如微软的Windows和苹果的macOS系统。移动操作系统21世纪，例如谷歌的Android和苹果的iOS系统。Unix和Linux操作系统UnixUnix是一个多用户、多任务的操作系统，它最初诞生于20世纪60年代末。LinuxLinux是Unix的一个开源实现，它在20世纪90年代早期诞生，至今已发展成为世界上最流行的操作系统之一。命令行界面Unix和Linux都以其强大的命令行界面而闻名，这使得它们成为开发人员和系统管理员的理想选择。开源Linux的开源特性使其成为一个非常活跃的社区，并为其带来了广泛的应用。Windows操作系统Windows10Windows10是微软发布的最新操作系统，拥有图形用户界面和多任务功能。Windows11Windows11是Windows10的后续版本，引入了新的设计语言和功能。WindowsServerWindowsServer是微软的服务器操作系统，用于企业和数据中心。移动设备操作系统移动操作系统移动操作系统是专为移动设备设计的操作系统，例如智能手机和平板电脑。主要特点移动操作系统通常更轻量级，并优化了触摸屏交互，同时具有低功耗和无线连接特性。主流系统Android、iOS、WindowsPhone和HarmonyOS是目前最流行的移动操作系统。操作系统的未来发展云计算云计算提供了一种将操作系统资源和服务按需分配的方式。它提高了资源利用率，降低了成本，并增强了灵活性。人工智能人