《操作系统OS》课件

操作系统概述操作系统是计算机系统中起核心作用的软件,负责管理硬件资源,提供应用程序运行的基础环境。它在计算机系统中扮演关键角色,是连接硬件和软件的桥梁,使用户能够高效地使用计算机。课程概述课程目标掌握操作系统的基本概念、功能和结构,了解其发展历程和主要特点。课程内容涵盖操作系统的基础知识、进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等核心概念。教学方式结合课堂讲解、实验操作和案例分析,帮助学生深入理解操作系统的原理和应用。操作系统的定义和功能操作系统的定义操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和控制计算机硬件资源，为用户程序提供运行环境。它是连接计算机硬件与应用软件的中间层。操作系统的功能操作系统主要包括进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等功能模块。它确保计算机系统高效、安全、可靠地运行。操作系统的发展从早期的批处理系统到现代的图形用户界面，操作系统不断演化以满足用户日益增长的需求。操作系统技术推动了计算机发展。操作系统的发展历程1机器时代早期计算机依赖于人工操作,缺乏系统化管理,效率低下。2批处理时代操作系统引入,负责管理作业队列和资源分配,实现了初步自动化。3分时系统时代多用户同时使用,并发执行多道程序,极大提高了系统利用率。4个人计算机时代PC操作系统兴起,不断优化用户体验,普及到日常生活中。5现代操作系统多任务、多线程、虚拟化等技术广泛应用,适应云计算等新需求。操作系统的结构和组成核心(Kernel)操作系统的核心部分,负责管理计算机硬件资源,如内存、CPU、存储设备等。用户界面(UserInterface)提供用户与操作系统交互的界面,包括图形用户界面(GUI)和命令行界面(CLI)。系统服务(SystemServices)提供基础功能,如文件管理、进程管理、内存管理等,供应用程序调用。应用程序(Applications)用户使用的各种软件程序,依赖于操作系统提供的基础服务。进程管理进程概念进程是操作系统中独立运行的基本单位,可以被CPU调度并获得系统资源。进程具有独立的地址空间、资源和生命周期。进程状态进程包括就绪、运行、阻塞和终止等多种状态,并依据CPU的分配情况在这些状态之间转换。进程控制操作系统通过进程控制块(PCB)来管理每个进程,记录进程的状态、资源分配等信息,并提供创建、切换、终止等功能。进程调度操作系统使用调度算法根据一定的策略,决定哪个就绪进程可以获得CPU资源并执行。常见算法包括轮转、优先级等。线程管理1单线程与多线程单线程应用程序同一时间只能执行一个任务,而多线程应用程序可以同时执行多个任务,提高了系统的并发性和响应性。2线程的属性线程有独立的栈空间、程序计数器和寄存器状态,但共享进程的地址空间和系统资源。3线程的生命周期线程可以处于新建、就绪、运行、阻塞和死亡等几种状态,操作系统负责调度和管理这些状态的转换。4线程的同步与通信线程之间需要通过临界区、信号量、条件变量等机制进行同步和通信,以避免数据竞争和死锁问题。内存管理内存分配和回收操作系统负责将物理内存有效分配给各个进程,并在进程结束后回收内存空间以供复用。虚拟内存技术虚拟内存技术允许程序使用超出物理内存大小的逻辑地址空间,提高了内存利用率。页面交换机制操作系统通过页面交换机制在物理内存和磁盘之间交换数据页面,实现了虚拟内存的功能。内存管理策略操作系统采用各种内存管理策略,如最近最少使用(LRU)算法,优化内存利用效率。设备管理1设备抽象化操作系统为应用程序提供统一的设备接口,屏蔽设备的具体硬件细节。2设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与特定设备硬件之间的桥梁,实现设备的控制和管理。3I/O系统管理操作系统负责I/O系统的缓冲、排队、错误处理等功能,提高设备利用率。4即插即用技术即插即用技术允许用户无需手动配置即可使用新增的硬件设备。文件管理文件系统结构操作系统采用分层的文件系统结构,将文件和目录组织成树状层次结构,提供简单直观的文件管理方式。文件读写操作系统提供了一系列API,允许应用程序打开、读取、写入和关闭文件,实现对文件内容的高效管理。文件权限管理操作系统根据不同用户的身份和权限,设置文件的读、写和执行权限,保护文件安全性。目录管理目录提供了文件组织和管理的基础,操作系统支持创建、删除和遍历目录,使文件管理更加灵活高效。磁盘管理存储容量磁盘是主要的大容量存储设备。不同类型的磁盘有各自的存储容量特点,需要根据实际需求合理选择。文件系统操作系统使用文件系统来组织和管理磁盘上的文件。不同的文件系统有不同的特点和使用场景。分区管理磁盘可以被划分成多个逻辑分区,每个分区都可以有独立的文件系统。分区管理可以提高磁盘利用效率。备份与恢复为保护数据安全,需要定期备份磁盘数据。同时也需要有可靠的数据恢复机制来应对意外情况。输入/输出(I/O)管理设备管理操作系统通过设备驱动程序管理各种输入输出设备,确保设备能够与系统进行无缝连接和数据交换。数据传输操作系统协调输入输出设备与内存之间的数据传输,保证数据的安全性和完整性。缓冲区管理操作系统利用缓冲区技术,提高输入输出效率,避免数据丢失和阻塞。操作系统的引导和启动1加电自检系统启动时进行硬件检测和初始化2加载引导程序从存储设备中读取和执行引导程序3启动内核加载操作系统的内核并开始初始化4启动用户进程完成系统初始化后,启动关键的用户进程操作系统的引导和启动是一个复杂的过程,涉及硬件检测、引导加载、内核初始化以及用户进程启动等多个步骤。这个过程确保了操作系统可以顺利启动并为用户提供服务。操作系统的安全与保护安全措施操作系统需要提供各种安全机制,如访问控制、加密技术、身份验证等,保护系统免受非法访问、病毒攻击和数据泄露等威胁。保护关键资源操作系统还需要保护关键系统资源,如内存、文件、设备等,防止被恶意篡改或破坏,确保系统正常运行。权限管理通过用户权限管理,操作系统可以限制不同用户对系统资源的访问范围,降低系统安全风险。安全审计操作系统需要提供安全审计功能,记录系统关键事件,以便及时发现和分析安全隐患。操作系统的实时性与多任务实时性操作系统需要在严格的时间限制内完成任务，以满足实时应用的需求，如工业控制、航天航空等领域。多任务处理操作系统能够在同一时间内运行多个程序，提高资源利用率和系统响应速度。这需要合理调度和切换任务。优先级调度操作系统采用优先级调度算法,根据任务的重要性和紧迫性决定任务的执行顺序,确保关键任务得到及时响应。操作系统的虚拟化技术虚拟机通过虚拟机技术,可以在单一的物理硬件上运行多个独立的操作系统实例,提高资源利用率。容器化容器技术将应用程序与其依赖的运行环境打包,可实现应用程序的快速部署和移植。云计算云计算通过虚拟化的分布式计算资源,提供按需弹性的IT服务,提高了资源利用效率。操作系统级虚拟化通过操作系统内核的虚拟化技术,可以在单一操作系统中运行多个隔离的系统环境。操作系统的并发控制并发执行线程操作系统通过并发执行多个线程,提高了资源利用率和系统响应性能。合理调度线程可以避免死锁、饥饿等问题,确保系统稳定性。互斥锁机制操作系统使用互斥锁等机制,确保共享资源的访问互斥,避免出现数据竞争和不一致的情况。合理控制锁的粒度和使用范围很重要。信号量控制信号量是另一种并发控制的重要机制,可以处理复杂的同步问题。操作系统根据资源状态和进程需求灵活调配信号量,保证了并发执行的安全性。操作系统的死锁问题1资源争用当多个进程同时请求有限的系统资源时,可能会产生死锁。2循环等待条件当进程之间形成资源请求的循环等待关系时,也会导致死锁。3无抢占条件系统不能强制进程释放资源,只能等待资源被主动释放。4互斥条件有些资源不可共享,只能被一个进程独占使用。操作系统的性能评估与优化操作系统性能的评估与优化是确保系统运行稳定高效的关键。它包括对CPU、内存、磁盘、网络等系统资源的使用情况进行分析和监控，并针对性地采取优化措施。现状优化后通过优化系统参数、负载均衡、资源调度等手段,可以显著提高操作系统的性能指标。Windows操作系统概述广泛应用Windows是微软公司开发的个人电脑操作系统,被广泛应用于家庭和企业计算环境。图形用户界面Windows以其直观友好的图形用户界面(GUI)著称,为用户提供了简单易用的交互体验。丰富的软件生态Windows拥有大量软件应用程序,满足了用户在生产、娱乐等多方面的需求。安全性与稳定性近年来,Windows逐步增强了系统安全性和运行稳定性,给用户带来了更好的体验。Windows操作系统的体系结构内核层Windows操作系统的核心部分,提供系统级服务如内存管理、进程调度和硬件抽象。用户界面层包括图形用户界面、命令行界面等,为用户提供直观的交互方式。应用程序层运行在Windows之上的各种应用软件,如Office、浏览器等,满足用户的日常需求。Windows操作系统的进程管理进程概念进程是操作系统中独立运行的基本单位,包含程序执行所需的资源和执行环境。进程控制Windows提供任务管理器等工具,允许用户查看和管理正在运行的进程。进程调度Windows根据进程的优先级和资源需求进行动态调度,以提高系统的整体效率。内存管理Windows使用虚拟内存技术,为每个进程提供独立的地址空间,避免内存冲突。Windows操作系统的内存管理虚拟内存管理Windows使用虚拟内存技术,将物理内存和硬盘存储空间结合,为程序提供更大的可用内存空间。页式内存管理Windows采用页式管理,将内存划分为固定大小的页面,提高内存的利用效率。内存分页和交换Windows根据程序的内存需求,自动完成内存分页和页面交换,提高系统性能。内存回收和分配Windows采用动态内存分配和回收技术,根据程序需求自动调整内存分配,提高内存利用率。Windows操作系统的文件管理文件系统结构Windows操作系统采用层次式的文件系统,文件和目录以树状结构组织存储。用户可以轻松浏览和管理各种文件和目录。文件属性管理Windows提供丰富的文件属性管理功能,包括文件名、大小、创建/修改时间等。用户可以根据需求设置和查看各种文件属性。权限控制Windows操作系统提供完善的文件访问权限管理机制,用户可以针对不同用户或用户组设置读、写、执行等权限。文件搜索Windows内置强大的搜索引擎,用户可以根据文件名、内容、属性等条件快速查找所需文件。Windows操作系统的设备管理驱动程序管理Windows通过安装相应的驱动程序来实现对各种外围设备的支持和控制。设备配置和监控Windows提供了丰富的设备管理工具,用户可以对设备进行配置、监控和故障排除。热插拔支持Windows能够自动检测和安装新增硬件设备,实现即插即用的功能。设备电源管理Windows可以根据用户设置对硬件设备进行自动省电管理,提高系统能效。Linux操作系统概述开源和免费Linux是一种开源和免费的操作系统,可以自由地使用、修改和分发。这使其成为许多企业和个人的首选。灵活和可定制Linux提供了广泛的软件包和工具,用户可以根据自己的需求进行配置和定制。这使它非常灵活和适应力强。安全性和稳定性Linux以其出色的安全性和稳定性著称,能够抵御大多数病毒和黑客攻击,并提供持续可靠的性能。Linux操作系统的体系结构内核Linux操作系统的核心组件,负责管理硬件资源和提供基本的系统服务。shell用户界面,提供命令行交互,执行用户输入的命令。应用程序由用户运行的各种软件程序,基于内核提供的接口和服务。系统库为应用程序提供各种功能的软件库,增强程序的功能和性能。Linux操作系统的进程管理进程定义进程是Linux操作系统中独立运行的基本单元,它包含了程序代码、数据、栈、寄存器等资源,可以独立分配CPU时间并执行。进程创建Linux使用fork()系统调用来创建新进程,新进程是原进程的副本。使用exec()系统调用可以加载并运行新的程序。进程状态Linux进程的状态包括就绪、运行、阻塞、终止等,通过ps命令可以查看进程的状态。进程调度Linux采用抢占式调度,使用优先级和时间片机制来决定哪个进程获得CPU使用权。Linux操作系统的内存管理动态内存分配Linux操作系统采用动态内存分配技术,根据应用程序的需求自动分配和回收内存,提高系统资源利用效率。页式内存管理Linux使用页式内存管理,将内存划分为固定大小的页面,通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射。虚拟内存技术Linux采用虚拟内存技术,将内存分为物理内存和虚拟内存,通过页面置换实现内存扩展和应用程序的运行。Linux操作系统的文件管理文件系统层次结构Linux采用层次化的文件系统结构,将文件组织成目录树的形式,方便管理。每个文件都有唯一的路径名。文件权限管理Linux提供灵活的文件权限管理机制,通过用户、群组和其他用户的读、写、执行权限来控制文件访问。文件操作命令Linux提供了一系列命令,如ls、cat、cp、mv、rm等,用于查看、创建、复制、移动和删除文件。Linux操作系统的设备管理设备管理控制台Linux提供了友好的图形用户界面设备管理控制台,用户可以方便地查看