操作系统课件请求分

操作系统概述操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它负责管理计算机硬件资源，提供用户界面，并为应用程序提供运行环境。操作系统是现代计算机不可或缺的一部分，它为用户提供了一个方便易用的使用环境，并为各种应用程序的运行提供了必要的支持。操作系统功能系统启动操作系统启动电脑，加载系统程序。程序管理操作系统管理程序运行，分配资源。文件管理操作系统管理文件存储，提供访问操作。网络管理操作系统管理网络连接，实现数据传输。进程管理1进程定义进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。2进程状态进程在运行过程中，会处于不同的状态，例如运行状态、就绪状态、阻塞状态。3进程控制块(PCB)PCB是进程存在的唯一标识，包含了进程的各种信息，例如进程标识符、状态、优先级等。4进程控制进程控制包括创建、撤销、挂起、恢复、阻塞和唤醒等操作。5线程管理1线程概念轻量级进程，共享地址空间。2线程创建系统调用创建线程，分配线程栈。3线程调度时间片轮转、优先级调度等。4线程同步互斥锁、信号量等机制保证数据一致性。线程是操作系统调度的基本单位，每个线程拥有独立的栈空间，可以并发执行，提高程序效率。处理机调度处理机调度是操作系统中的核心功能之一，它负责分配处理机资源给各个进程，确保每个进程都能够得到运行机会。1调度算法先来先服务，短作业优先，优先级调度，时间片轮转2调度目标提高CPU利用率，缩短平均周转时间，缩短平均等待时间，保证系统公平性3调度策略非抢占式调度，抢占式调度4调度环境单处理器，多处理器，多级队列处理机调度算法的选择和策略的制定直接影响着操作系统的性能和效率。内存管理内存分配操作系统负责分配内存给不同的进程，确保每个进程都有足够的内存运行。内存保护操作系统需要保护每个进程的内存空间，避免一个进程访问另一个进程的内存。内存优化操作系统使用各种技术，例如分页和分段，来优化内存使用，提高系统效率。存储管理1存储层次结构由速度、容量和成本不同的多个存储层次构成2虚拟存储器利用磁盘空间扩展主存容量3页面置换算法选择页面调入或调出的算法4存储分配策略分配内存给进程的方式存储管理是操作系统中重要的组成部分，负责管理计算机系统中各种存储资源，为进程分配和回收存储空间。文件管理1文件系统组织和管理文件2目录结构层次化的文件组织方式3文件操作创建、删除、修改、读取文件4访问控制权限管理和安全保护文件管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理和组织计算机系统中的文件。文件系统为文件提供了逻辑结构和组织方式，使文件能够被有效地存储、访问和管理。设备管理1设备管理功能设备管理负责管理计算机系统中的硬件设备。它为应用程序提供访问设备的统一接口。2设备驱动程序每个设备都有一个相应的驱动程序，负责将设备的操作转换为操作系统可以理解的指令。3设备分配策略操作系统需要管理多个设备，并根据应用程序的需求分配资源，以确保高效利用。4设备独立性设备管理的目标之一是实现设备独立性，使应用程序可以无视具体设备类型进行操作。5设备安全管理设备管理还负责保护设备的安全，防止恶意访问或错误操作。安全管理用户身份验证保护系统免受未经授权的访问。访问控制限制用户对特定资源的访问。数据加密防止敏感信息被窃取。恶意软件防护检测和阻止病毒、木马和间谍软件。操作系统发展历程早期操作系统最初的操作系统十分简单，仅提供基本的资源管理功能。批处理系统是早期操作系统的主要形式。多道程序设计系统多道程序设计系统允许多个程序同时运行，提高了系统资源利用率。例如，UNIX操作系统诞生于这一时期。个人计算机操作系统个人计算机操作系统的出现，使计算机变得更加易于使用，为大众普及计算机技术奠定了基础。例如，微软的MS-DOS和苹果的MacOS。现代操作系统现代操作系统更加复杂，提供了丰富的功能，包括图形界面、网络支持、多任务处理和安全机制。例如，Windows，Linux和Android。实时操作系统实时性要求实时操作系统需要在严格的时间限制内完成任务，对时间延迟非常敏感。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、嵌入式系统等领域。分布式操作系统11.资源共享多个计算机系统通过网络共享资源，例如硬件、软件、数据等。22.并发处理多个用户可以在不同的计算机上同时访问系统资源，提高效率。33.可靠性通过冗余机制，系统即使部分节点故障，也能继续运行，提高稳定性。44.可扩展性通过添加新的节点，可以扩展系统容量，满足不断增长的需求。嵌入式操作系统资源受限嵌入式系统资源受限，比如内存、处理器速度、存储空间等。特定功能嵌入式系统通常用于特定用途，例如控制设备或执行特定任务。实时性要求一些嵌入式系统需要实时响应事件，例如工业控制系统。可靠性要求嵌入式系统需要高度可靠性，因为它们通常用于关键任务中。Windows操作系统11.历史悠久微软公司开发，历史悠久，市场占有率高。22.图形界面友好易用，图形化界面，用户体验优秀。33.多任务处理支持多任务处理，可同时运行多个应用程序。44.丰富软件拥有丰富的应用程序和游戏，生态系统庞大。Linux操作系统开源Linux操作系统是开源的，这意味着其源代码可以自由获取、修改和分发。任何人都可以查看、改进和重新分发其代码，这使得Linux成为一个高度可定制和灵活的操作系统。稳定性Linux以其稳定性和可靠性而闻名，这使其成为服务器和其他关键任务应用的理想选择。Linux内核经过广泛的测试和完善，并且有庞大的社区不断进行维护和更新。Unix操作系统历史悠久诞生于20世纪70年代，影响深远。开源系统鼓励代码共享，促进合作开发。服务器应用广泛用于大型服务器和数据中心。MacOS操作系统用户界面MacOS以其简单易用和美观的用户界面而闻名，为用户提供直观的体验。安全性MacOS包含了多项安全功能，例如沙盒环境和系统完整性保护，以增强系统安全性和用户隐私。应用程序生态系统MacOS拥有丰富的应用程序生态系统，涵盖生产力、创意、游戏和娱乐等领域，满足各种用户的需求。进程同步与互斥1竞争条件多个进程访问共享资源，顺序不可预测。2临界区共享资源的访问代码段。3互斥确保一次只有一个进程访问临界区。4同步协调多个进程的执行顺序。进程同步与互斥是操作系统的核心概念，它们保障了多进程环境下共享资源的安全访问和有效协作。死锁问题分析1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执行的状态。2特征互斥条件：资源不能被多个进程同时使用。请求与保持条件：进程至少已获得一个资源，但请求其他资源却被阻塞。不可抢占条件：进程已获得的资源不能被其他进程强行抢占。3分类系统死锁：系统资源被多个进程所占，导致系统无法继续运行。进程死锁：多个进程相互等待资源，导致这些进程都无法继续运行。死锁预防与避免预防预防死锁是通过限制资源分配，确保无法形成环路依赖，从而阻止死锁的发生。避免死锁避免则是在系统运行时，通过动态分析系统状态，判断当前分配资源是否会导致死锁，并采取措施避免死锁的发生。检测与恢复如果死锁已经发生，需要通过检测算法识别死锁状态，并采取适当措施进行恢复，例如撤销进程或剥夺资源。存储管理层次结构存储管理层次结构主要包括高速缓存（Cache）、主存（MainMemory）和辅助存储器（SecondaryStorage）。高速缓存主存辅助存储器速度快，容量小速度较快，容量中等速度慢，容量大成本高成本中等成本低它们之间速度和成本存在差异，通过分层结构，操作系统能够高效地管理内存资源。页式管理与段式管理页式管理将逻辑地址空间划分为固定大小的页，物理地址空间也划分为相同大小的页框。程序执行时，页可以分散地装入内存，页框之间可以不连续。段式管理将逻辑地址空间划分为大小不等的段，段可以连续或不连续，物理地址空间也划分为大小不等的段。程序执行时，段可以分散地装入内存。页式管理优点内存利用率高，可以有效解决内存碎片问题，方便程序动态装入。段式管理优点更便于用户编程，能有效解决程序太大而装不下内存的问题。页面置换算法最佳置换算法选择未来最长时间不会被访问的页面进行替换。该算法性能最佳，但无法在实际系统中实现。先进先出(FIFO)将最先进入内存的页面替换出去，简单易实现，但可能存在将经常使用的页面置换出去的情况。最近最少使用(LRU)将最近最少使用的页面替换出去，性能较好，但需要额外的信息维护，增加系统开销。时钟算法在FIFO的基础上进行改进，使用一个指针和一个访问位，选择未被访问的页面进行替换。文件系统设计原理11.数据组织文件系统将数据以逻辑组织形式存储在物理存储设备上，方便用户访问和管理。22.文件抽象文件系统提供统一的抽象接口，屏蔽底层硬件细节，为用户提供操作文件的便利。33.访问控制文件系统实现安全机制，控制用户对文件访问权限，保证数据安全和完整性。44.文件管理文件系统提供创建、删除、读写、重命名、复制等操作，方便用户管理文件。文件存储结构顺序文件信息按顺序存储，记录顺序访问。索引文件每个文件对应一个索引表，通过索引表访问文件。链接文件通过指针链接访问文件。文件访问方式顺序访问文件从头到尾顺序读取，一次读写一个数据块。通常用于数据流处理、日志记录等。随机访问文件可随机访问，可在任何位置读写数据。适用于数据库、编辑器等需要灵活访问数据的应用。设备驱动程序设计设备驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁，负责管理硬件资源并提供统一的接口供应用程序使用。它充当了连接器，将硬件的特定指令和行为翻译成操作系统能够理解的指令。1抽象层提供统一的接口，屏蔽硬件差异。2设备控制层实现设备的具体控制功能。3硬件层与硬件设备直接交互。驱动程序设计需要了解硬件的具体特性，同时还要考虑操作系统的要求。一个优秀的驱动程序应该具有高性能、高可靠性和良好的可移植性