《操作系统专升本新》课件

《操作系统专升本新》课件本课件将深入探讨操作系统的核心概念和原理,帮助专升本考生全面掌握操作系统的基础知识。内容涵盖进程管理、内存管理、文件管理等关键模块,并结合最新技术趋势进行讲解。课程目标和内容简介1掌握操作系统基本概念全面了解操作系统的功能、结构和工作原理。2熟悉操作系统核心机制深入学习进程管理、内存管理、文件管理等关键模块。3掌握常见操作系统体系结构比较微内核、单体、分层等不同系统架构的特点。4了解操作系统未来发展趋势探讨实时操作系统、嵌入式操作系统等前沿话题。操作系统概述操作系统是计算机系统的核心组件,它负责管理和控制计算机硬件和软件资源,提供用户和程序运行的基础服务。操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和安全管理等。现代操作系统种类丰富,从个人电脑到大型服务器,从嵌入式系统到云计算平台,操作系统在不同领域发挥着关键作用。了解操作系统的基本原理和发展历程,对于计算机专业学生来说非常重要。操作系统基本功能程序管理操作系统负责加载、执行和管理应用程序,确保各程序能够安全、有序地运行。内存管理操作系统负责分配和管理系统内存,确保不同进程能够安全地访问和使用内存资源。文件管理操作系统提供文件系统,管理文件的存储、访问和共享,确保数据安全和完整性。设备管理操作系统负责控制和管理各种输入输出设备,确保它们能够与应用程序正常交互。进程管理1进程概念进程是操作系统中执行程序的基本单位,拥有独立的地址空间、资源和调度。进程是动态的,可以在不同状态之间切换。2进程生命周期进程的生命周期包括创建、就绪、运行、阻塞和终止等状态。操作系统负责对进程进行状态管理和调度。3进程控制操作系统提供了一系列的系统调用,用于创建、撤销、挂起、恢复和终止进程,以及管理进程的资源和状态。进程的状态转换创建当一个新的进程被创建时,它首先处于就绪状态,等待被调度执行。就绪进程具备执行条件但暂时未被分配CPU,等待调度器选中并分配CPU资源。运行进程被分配CPU资源,开始执行指令,直到因某种原因而让出CPU。阻塞进程由于等待某些事件的发生而暂时停止执行,直到事件发生才能继续。终止进程完成了它的任务,自愿放弃CPU资源,进入终止状态并从系统中消失。进程调度算法先进先出(FIFO)按照进程进入就绪队列的先后顺序依次分配CPU，最先进入的进程最先被调度执行。简单易实现，但不够灵活。短进程优先(SPF)优先执行预计运行时间最短的进程，可提高CPU利用率。但无法兼顾长进程，可能导致饥饿现象。时间片轮转(RR)给每个进程分配一个时间片轮流调度执行。公平性好,但对于I/O密集型进程可能产生较长等待时间。优先级调度(Priority)根据进程的优先级高低进行调度,优先级越高的进程越容易得到CPU。可以灵活设置优先级。线程管理1创建新线程高效分配系统资源以支持多线程程序的执行。2线程切换快速在不同线程间切换执行,确保各线程公平获取CPU时间。3线程同步协调多线程间的共享资源访问,避免数据竞争和死锁问题。4线程销毁及时回收不再使用的线程资源,优化系统性能。高效的线程管理是操作系统的重要功能。操作系统需要负责创建、切换、同步和销毁线程,确保多线程程序能够充分利用计算资源,避免资源冲突和死锁等问题,提高系统的并发性能。线程同步机制信号量信号量是一种线程同步原语,允许线程按顺序访问共享资源,避免竞争冲突。互斥锁互斥锁确保同一时刻只有一个线程访问共享资源,提高并发性能。条件变量条件变量允许线程在满足特定条件时被唤醒,协调多线程间的数据交换。屏障屏障确保所有线程在特定点汇聚,确保并行任务的正确完成。内存管理1连续分配将内存划分为固定大小的块2分页管理将内存划分成固定大小的页框3分段管理将内存划分成可变大小的段4虚拟内存使用磁盘扩展内存容量操作系统需要管理计算机的内存资源,以有效地分配和利用内存。主要方式包括连续分配、分页管理、分段管理以及虚拟内存技术。每种方式都有其优缺点,需要根据具体情况选择合适的内存管理策略。连续内存分配方式固定分区分配将内存划分为固定大小的分区，每个进程被分配到一个分区。简单高效，但可能会造成内存碎片。可变分区分配根据进程需求动态分配可变大小的内存分区。可以避免内存碎片，但需要复杂的分配算法。伙伴系统分配将内存划分为大小为2的幂次方的分区块，并通过合并和分割实现动态分配。有效利用内存，但需要复杂的管理。页式内存管理逻辑页和物理页页式内存管理将内存划分为固定大小的页框。程序使用的逻辑地址被映射到物理页框上。页表和页表项页表用于存储逻辑页和物理页之间的映射关系。每个进程都有自己的页表。缺页中断和页面置换当需要访问的页面不在内存时,会发生缺页中断。操作系统需要从磁盘加载页面并进行页面置换。页面置换算法常见的页面置换算法包括FIFO、LRU和时钟算法等,根据不同情况选择合适的算法。段式内存管理概念简介段式内存管理是一种将内存划分为若干个大小可变的离散分区的内存管理方式。每个分区称为一个段。优势特点段式管理可以更好地利用内存空间,增加内存的使用效率。同时也可以提高程序的执行效率和安全性。工作原理程序地址由段号和段内地址两部分组成。通过段表来管理这些段,以实现程序地址到物理地址的转换。应用场景段式管理通常用于大型程序的内存管理,如操作系统和数据库等复杂应用程序。虚拟内存管理内存管理基础虚拟内存是操作系统对物理内存的一种抽象和管理,可为进程分配连续的虚拟地址空间,从而增加可用内存容量。页式虚拟内存将物理内存划分为固定大小的页框,进程使用的虚拟页可动态映射到不同的页框,实现内存扩充和共享。段页式虚拟内存结合段式和页式两种方式,可以更灵活地管理内存,提高内存利用率和地址转换效率。页面置换算法1最佳置换算法(OPT)根据未来访问情况选择置换页面，能实现最低缺页率，但很难实现。2先进先出算法(FIFO)置换最早调入内存的页面，简单易实现但效率较低。3最近最少使用算法(LRU)置换最长时间未被访问的页面，能较好平衡缺页率和实现复杂度。4时钟算法改进的FIFO算法,通过使用访问位进行置换,效率比FIFO提高。文件管理1文件系统结构操作系统通过文件系统组织和管理文件,包括文件的创建、存储、访问和保护等。常见的文件系统结构有FAT、NTFS和ext等。2文件读写操作用户可以通过open、read、write和close等文件操作接口来读写文件内容。操作系统提供缓冲机制优化文件访问效率。3目录管理操作系统使用目录树结构管理文件,并提供创建、删除、重命名等目录操作,用户可以通过路径访问指定文件。文件系统结构层次目录结构文件系统采用树状层次目录结构组织文件和目录，提供灵活的文件组织和管理方式。文件类型文件系统支持常见的文件类型，如普通文件、目录文件、设备文件等，满足不同用途。文件属性文件系统为每个文件保存创建时间、修改时间、访问权限等元数据，方便管理和查找。文件读写操作1打开文件通过指定文件名和访问模式，启动文件的读写操作。2读取数据从文件中顺序读取数据，可以一次读取一个字节或一次读取一行。3写入数据将数据写入到文件中，并根据需要控制写入位置。4关闭文件完成读写操作后，关闭文件以释放系统资源。文件读写操作是操作系统最基本的功能之一。用户可以通过指定文件名和访问模式来打开文件，然后顺序读取或写入数据。在完成读写操作后，需要及时关闭文件以释放系统资源。掌握文件读写的基本流程和技巧对于日常的编程工作非常重要。设备管理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桥梁,负责管理和控制各种设备的运行。即插即用现代操作系统支持即插即用功能,能够自动检测并配置新接入的硬件设备。设备抽象层操作系统提供设备抽象层,屏蔽了设备的具体细节,让应用程序可以以统一的接口访问设备。设备管理服务操作系统提供设备管理服务,如分配和回收设备资源、处理设备中断等。设备驱动程序驱动程序功能驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口,负责设备的初始化、控制和管理。它隔离了上层软件和底层硬件的差异。驱动程序开发驱动程序的编写需要深入理解硬件细节和操作系统原理。开发人员需要掌握系统调用、中断处理等关键技术。驱动程序与内核驱动程序作为操作系统内核的一部分,与内核紧密协作。内核提供驱动程序所需的服务和接口,驱动程序则扩展了内核的功能。输入输出系统1设备接口规范输入输出系统定义了各种设备与计算机之间的标准接口,确保设备能顺利连接和工作。2数据传输管理输入输出系统负责协调控制数据在计算机内部和设备之间的传输,确保数据准确无误。3错误处理机制输入输出系统提供错误检查和处理机制,以应对设备故障或数据传输异常等情况。4性能优化输入输出系统通过并发控制、缓存管理等技术,提高整体的数据传输效率和响应速度。安全管理1访问控制确保只有经授权的用户能访问系统资源2身份认证验证用户的身份合法性3加密技术保护数据信息的机密性和完整性4安全审计监控系统活动并分析安全事件操作系统的安全管理是确保系统正常运行的关键。它包括访问控制、身份认证、加密技术和安全审计等多个层面。通过这些机制，可以有效防范黑客攻击、数据泄露等安全威胁，保护系统和数据的机密性、完整性和可用性。访问控制机制身份识别通过用户名、密码等方式验证用户身份，确保访问者的合法性。权限授权根据用户角色和权限级别制定访问控制规则，限制用户的操作范围。审计追踪记录用户的访问行为和操作日志，便于事后分析和责任认定。安全策略制定全面的安全策略,覆盖用户管理、访问控制、审计等各个方面。加密与解密技术加密技术加密技术是用来确保数据在传输或存储过程中的机密性和安全性。通过利用数学算法将原始数据转换成无法被非授权人员读取的形式。解密技术解密技术是将被加密的数据恢复到原始形式的过程。它利用特定的密钥来还原被加密的数据,确保只有拥有密钥的人才能访问。常见加密算法比如DES、AES、RSA等,它们各有特点和适用场景,确保了不同级别的数据安全。密钥管理密钥的安全存储和分发是加密技术的关键。采用公钥基础设施、密钥管理系统等来管理密钥至关重要。操作系统的体系结构1微内核结构将操作系统的关键功能分解到小型可独立运行的模块中,提高了系统的灵活性和可扩展性。2单体结构所有操作系统功能都集中在一个大型程序中,结构简单但缺乏灵活性。3分层结构将操作系统划分为不同层次,上层依赖下层提供的服务,层次清晰但开发复杂。微内核结构模块化设计微内核结构将操作系统的核心功能划分为相互独立的模块,提高了系统的灵活性和扩展性。最小化内核微内核只包含最基本的进程管理、内存管理和通信机制,其他功能都由外部服务进程提供。高度可扩展可以根据需求动态加载或卸载服务进程,无需重新编译整个操作系统。通信机制重要微内核通过高效的进程间通信机制,实现各个服务进程之间的协作和信息交流。单体结构紧密集成单体结构将所有操作系统功能集成到一个单一的程序中,各模块之间耦合紧密,方便整体开发和优化。简单高效单体结构由于模块间关系简单,运行效率高,适合小型和中型操作系统的设计。局限性单体结构无法支持动态扩展和模块化升级,限制了操作系统功能的灵活性和可伸缩性。分层结构模块化设计分层结构将操作系统组织为多个独立的模块,每个模块负责特定的功能。这种设计提高了系统的可扩展性和灵活性。层级管理上层模块依赖下层模块提供的服务,下层模块对上层隐藏了实现细节。这种分层管理提高了系统的可靠性和可维护性。层次明确分层结构中各层之间的职责和边界非常明确,这有助于模块化设计和独立的开发与测试。操作系统的发展趋势1实时操作系统满足严格的时间要求2嵌入式操作系统应用于各种智能设备3云操作系统提供高可扩展性和弹性随着技术的不断发展,操作系统也呈现出多样化的发展趋势。实时操作系统能够满足严格的时间要求,应用于工业控制等领域;嵌入式操作系统则广泛应用于智能手机、车载系统等各种智能设备;而云操作系统则致力于提供高可扩展性和弹性,适用于云计算环境。这些不同类型的操作系统正在满足现代社会不同领域的需求。实时操作系统实时性实时操作系统必须在严格的时间内处理事件和完成任务，确保系统在确定的时间内做出响应。可靠性实时系统必须具有高度的可靠性和容错能力，以确保系统始终保持正常运行。高效性实时操作系统需要高效的资源管理和调度算法，以最大程度地减少系统响应时间。安全性实时系统必须具有安全性设计,并能够及时检测和处理潜在的安全威胁。嵌入式操作系统广泛应用嵌入式操作系统广泛应用于各种智能设备,如手机、车载系统、工业控制器等,充分展现了其在小型系统中的优势。简单高效嵌入式操作系统通常具有更简单的结构和更高的实时性,能够更好地适应嵌入式设备的资源受限特点。开源优势基于Linux内核的嵌入式Linux系统凭借其开源、可定制化等特点,广受开发者青睐。云操作系统高可扩展性云操作系统能够根据需求动态分配计算资源,快速扩展以支持大规模用户和应用。高可用性通过多节点冗余部署,云操作系统可提供持续运行的服务,减少中断和停机时间。即时更新云操作