《操作系统引论上》课件

《操作系统引论》操作系统是计算机系统的重要组成部分，它管理着计算机的硬件资源并为应用程序提供运行环境。本课程将深入探讨操作系统的基本概念、体系结构、关键功能以及设计原理。操作系统的定义和作用定义操作系统是一个管理和控制计算机硬件资源的软件系统，为用户提供一个友好的接口，使计算机资源得到有效利用。作用操作系统负责管理计算机的硬件资源，如处理器、内存、外设等，并提供各种系统服务，方便用户使用计算机。操作系统的发展历程早期操作系统最早的操作系统是批处理系统，它们在20世纪50年代出现。批处理系统一次处理多个作业，但效率低下，缺乏交互性。分时操作系统分时操作系统在20世纪60年代兴起，允许多个用户同时使用一台计算机。它提供多任务处理，提高了资源利用率和用户体验。实时操作系统实时操作系统在20世纪70年代发展起来，专门用于需要实时响应的应用，例如工业控制和航空航天。现代操作系统现代操作系统融合了各种功能，包括图形用户界面、网络支持、安全性和可靠性等。它们广泛应用于个人计算机、服务器和移动设备。操作系统的特点和功能11.资源管理操作系统管理硬件资源，分配给不同的用户和应用程序。22.用户接口提供用户和计算机之间交互的接口，方便用户使用计算机。33.程序执行管理负责程序的加载、执行、调度和终止，确保程序正常运行。44.数据管理操作系统管理数据存储和访问，确保数据的完整性和安全性。操作系统的体系结构操作系统结构体现其内部组织方式，是实现其功能和性能的关键常见的操作系统体系结构包括分层式、微内核、模块化等分层式结构将操作系统功能划分为多个层次，逐层调用，清晰易懂，但效率较低微内核结构将核心功能最小化，其余功能通过服务程序实现，灵活可扩展，但复杂度增加模块化结构将操作系统功能分解为模块，方便维护和升级，但模块之间可能存在依赖关系进程的基本概念进程定义进程是一个正在运行的程序的实例，它是一个动态的概念，它包含程序代码、数据、堆栈和系统资源等信息。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。进程特点进程是独立的，拥有自己的内存空间和资源。进程是并发执行的，多个进程可以同时运行，提高系统资源利用率。进程模型进程模型描述进程的结构和状态，常见的进程模型有单线程模型、多线程模型和多进程模型。进程的状态和转换1运行进程正在占用CPU，执行程序代码。2就绪进程已准备好运行，等待分配CPU。3阻塞进程等待某个事件发生，例如I/O完成或资源可用。4创建进程正在被创建。5终止进程已完成执行或遇到错误。进程状态转换是指进程在生命周期中，状态之间的切换。例如，当一个就绪状态的进程被分配到CPU时，它将进入运行状态。当一个进程等待某个事件发生时，它将从运行状态或就绪状态进入阻塞状态。当事件发生时，阻塞状态的进程将进入就绪状态。线程的基本概念线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，是进程中的一个执行流。线程共享进程的资源，包括内存空间、打开的文件和信号量等。线程可以实现并发执行，提高系统效率，并能够减少上下文切换开销。线程的创建和销毁相对轻量级，使其成为处理并发任务的理想选择。线程与进程的关系多个线程一个进程可以包含多个线程，每个线程都共享同一个进程空间和资源。并发执行线程允许在单个进程内实现并发执行，提高程序的效率和响应速度。协作线程之间可以互相通信和协作，例如共享数据或同步操作。进程调度的基本原理CPU资源分配操作系统负责将CPU时间分配给不同的进程，以确保所有进程都能得到执行机会。进程切换当一个进程需要等待资源或执行完毕后，操作系统需要将CPU控制权切换到另一个进程。调度策略操作系统需要根据不同的调度算法来决定哪个进程优先获得CPU时间，以提高系统效率。进程调度的算法先到先服务(FCFS)最简单的调度算法，按照进程到达顺序执行。简单易实现，但容易造成短进程等待时间过长。最短作业优先(SJF)选择预计运行时间最短的进程执行。可以减少平均等待时间，但需要提前知道运行时间。优先级调度根据每个进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。适合对时间敏感的应用，但需要合理分配优先级。时间片轮转(RR)每个进程获得一个固定时间片执行，时间片结束后切换到下一个进程，可以提高系统吞吐量，但可能导致上下文切换开销过大。进程同步的基本概念11.协调资源共享多个进程访问同一资源时，需要协调访问顺序。22.保护数据完整性避免多个进程同时修改共享数据，导致数据不一致。33.保证数据一致性同步操作确保每个进程对数据的修改都能反映到其他进程。44.提高系统效率合理分配资源，提高系统整体效率。临界区和互斥临界区是指一段代码，在多个进程或线程访问共享资源时需要互斥访问，防止数据不一致。互斥是指在同一时间只有一个进程或线程可以访问临界区，确保数据的完整性和一致性。互斥的实现通常使用信号量、管程或锁机制，确保临界区的独占访问，避免数据冲突。信号量机制信号量概念信号量是一个整数值，用于控制对共享资源的访问。信号量的操作信号量支持两种操作：wait（等待）和signal（发出信号）。信号量机制信号量机制提供了一种简单而有效的同步方法，它允许线程在共享资源上进行安全的合作。管程机制管程定义管程是一种高级同步机制，用以管理共享资源。它提供了一组操作共享资源的程序和数据结构，并控制对这些资源的访问。管程特点管程通过定义互斥访问和条件变量来确保多线程访问共享资源的安全性。它可以简化并发编程，降低程序员的负担。死锁的基本概念定义死锁是指多个进程因竞争资源而互相等待，最终导致所有进程都无法继续运行的状态。特征死锁通常发生在多个进程争夺有限的资源时，每个进程都持有部分资源，并等待其他进程释放资源。影响死锁会导致系统性能下降，资源浪费，甚至系统崩溃，需要采取措施预防或解决死锁问题。死锁的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。持有并等待条件一个进程在请求新资源时，必须保持对已分配资源的占有。不可剥夺条件资源一旦分配给一个进程，在进程完成之前不能强制性地剥夺。循环等待条件多个进程构成循环等待，每个进程等待另一个进程持有的资源。死锁的预防和避免1预防死锁通过限制资源获取，防止死锁的发生。比如一次性分配所有资源或遵循资源获取顺序。2避免死锁通过动态检测系统状态，避免死锁。比如银行家算法，在资源分配前进行模拟，确保不会产生死锁。3其他方法除了预防和避免，还可以通过检测和恢复来处理死锁。但这些方法通常效率较低，且可能导致系统性能下降。存储管理的基本原理内存管理的挑战内存是计算机系统中重要的资源，操作系统需要有效管理内存以提高系统性能。内存管理的目标是高效地分配和回收内存，并防止不同程序之间的内存冲突。内存管理的基本策略操作系统采用多种策略来管理内存，例如分区分配、分页、分段、虚拟内存等。这些策略旨在提高内存利用率，提供更灵活的内存分配方式。内存管理的目标内存管理的目标是优化内存利用率，提高系统性能，确保程序之间的安全运行。操作系统通过内存管理机制来实现这些目标。内存分配的方式连续内存分配每个进程分配一个连续的内存空间，方便管理。但是，这种方式存在内存碎片问题，浪费内存空间。分页式内存分配将进程的地址空间划分为大小相等的页面，物理内存划分为同样大小的页框。页面可以不连续地加载到页框中，提高了内存利用率。段式内存分配将进程的地址空间划分为逻辑单元，称为段。每个段可以有不同的长度，提高了程序的模块化和保护性。页式段式内存分配将页面和段式两种方式结合起来，既能提高内存利用率，又能保持程序的模块化和保护性。虚拟内存的基本概念物理内存物理内存是指计算机系统中实际存在的内存空间，通常由RAM构成。物理内存的大小有限，并且需要处理多个进程，所以可能不足以满足所有进程的需求。虚拟内存虚拟内存是操作系统提供的一种机制，通过将部分数据和代码放到磁盘上，来扩大可用内存空间。虚拟内存允许程序运行时占用更大的空间，即使实际物理内存有限。页式虚拟内存管理11.页面大小页面大小是内存分配的最小单位，通常为4KB或8KB。22.页面表页面表是一个表格，用于记录每个页面的物理地址。33.页面置换算法页面置换算法用于决定将哪个页面从内存中移出。44.多级页表多级页表可以用来减少内存占用，同时提高页表访问效率。段式虚拟内存管理将程序的地址空间划分为多个逻辑段。每个段可以有不同的长度。为每个段创建一个段表，用于存储段的起始地址和长度信息。物理内存被划分为多个物理段。段表中的段可以被加载到物理内存中的不同物理段。页面置换算法FIFO先进先出算法简单易懂，但可能导致效率低下，因为最近使用的页面也可能被替换。LRU最近最少使用算法根据页面访问时间进行替换，更有效地利用内存，但需要额外的空间记录访问时间。OPT最佳置换算法可以找到最优的页面替换策略，但无法在实际环境中实现，因为需要预测未来。文件系统的基本概念文件组织和管理文件系统负责组织和管理计算机系统中存储的文件，提供文件存储、访问和管理功能。文件访问文件系统提供用户访问文件的方式，例如创建、删除、修改、复制、移动文件等。安全控制文件系统管理文件访问权限，确保文件安全，防止非法访问和修改。数据结构和算法文件系统利用特定的数据结构和算法来管理文件，实现高效的存储和访问。文件的属性和操作文件属性每个文件都有一组属性，描述文件本身的信息，例如文件名、文件大小、创建日期、修改日期、访问权限等。这些属性有助于管理和识别文件。文件操作操作系统提供了多种文件操作功能，例如创建文件、删除文件、打开文件、关闭文件、读写文件、移动文件、复制文件、重命名文件等。这些操作方便用户管理和使用文件。文件系统文件系统是操作系统中一个重要的组成部分，它负责管理文件系统中的所有文件，并提供访问文件的方式。它将文件系统中的所有文件组织成树形结构，并提供文件目录的概念，方便用户查找和管理文件。目录结构和管理1树形结构文件系统采用树形结构组织文件，方便管理和查找文件。2目录项每个目录项包含文件名、文件类型、文件大小等信息，方便用户快速查找。3路径名路径名指明文件在目录结构中的位置，便于访问和操作文件。4目录操作操作系统提供创建、删除、重命名目录等操作，方便用户管理文件系统。文件存储管理磁盘块分配将文件存储到磁盘上，需要将文件划分为若干个磁盘块，并分配给文件。目录管理通过目录结构组织文件，方便用户查找和管理文件。数据结构文件系统采用各种数据结构，例如文件控制块(FCB)和目录项，来管理文件信息。I/O系统的基本结构硬件层包括各种I/O设备，如硬盘、键盘、鼠标等。这些设备负责数据的输入输出，并与操作系统交互。软件层包括设备驱动程序，负责管理和控制硬件设备。驱动程序提供操作系统与设备之间沟通的桥梁。I/O设备的管理设备识别操作系统需要识别连接的I/O设备，以便分配资源和进行管理。设备驱动程序每个I/O设备都需要特定的驱动程序来控制其工作方式。设备分配操作系统需要管理设备的分