操作系统课件-孟庆昌

操作系统课件本课件涵盖了操作系统基础知识，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等内容。通过学习本课件，学生将掌握操作系统的工作原理和基本操作，为学习其他计算机课程打下基础。课程简介课程目标本课程旨在帮助学生理解操作系统的基本概念、工作原理和关键技术。学生将学习如何设计、实现和使用操作系统，为未来从事软件开发、系统管理等工作奠定基础。课程内容本课程涵盖操作系统的主要内容，包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理、输入/输出系统和安全性等。我们将深入探讨这些主题的理论知识、核心技术和应用案例，帮助学生全面掌握操作系统的基本原理和实践技能。操作系统概述操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件资源和软件资源。操作系统为用户提供一个简洁、友好的界面，并为应用程序提供运行环境。操作系统主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和网络管理等。操作系统的定义和功能资源管理操作系统负责管理计算机的硬件资源，例如CPU、内存、存储器和外围设备，确保资源的有效利用。用户界面操作系统提供用户界面，允许用户与计算机进行交互，并使用各种应用程序。程序执行操作系统加载和执行程序，管理程序的执行过程，确保程序能够顺利运行。网络支持现代操作系统提供网络支持，允许计算机连接到网络，共享资源和数据。操作系统的發展历程1早期操作系统20世纪50年代，第一批操作系统出现，如通用自动程序控制系统（通用自动程序控制系统）。2批处理操作系统20世纪60年代，批处理操作系统出现，例如IBM的OS/360系统，它允许多个程序共享系统资源。3分时操作系统20世纪70年代，分时操作系统（如Unix和Multics）出现，它允许多个用户同时使用计算机。4实时操作系统20世纪80年代，实时操作系统（如VxWorks）出现，它用于需要实时响应的系统，例如工业控制系统。5现代操作系统20世纪90年代至今，现代操作系统（如Windows、macOS和Linux）继续发展，提供更强大的功能，例如图形用户界面、网络功能和多媒体支持。操作系统的基本结构1内核操作系统核心，负责管理系统资源，提供基本服务。2系统调用接口应用程序与内核交互的桥梁，提供系统服务调用。3用户程序运行在用户空间，访问系统资源需通过系统调用。4外壳用户与内核交互的界面，提供命令行或图形界面。进程管理进程管理是操作系统核心功能之一，负责创建、调度和终止进程。它优化系统资源利用率，确保多个进程高效协作。进程的概念与状态进程定义进程是程序执行时的基本单位，它代表一个正在运行的程序。它是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。进程状态进程通常存在三种基本状态：运行态、就绪态、阻塞态。进程在不同状态之间进行切换，由操作系统管理。状态转换进程状态之间的转换由系统事件触发，例如：CPU调度、I/O操作、等待事件。进程调度算法先来先服务(FCFS)按照进程到达的顺序进行调度，简单易实现，但容易造成短作业等待时间过长。优先级调度根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先执行，可以满足紧急任务的需要。时间片轮转调度将CPU时间分成时间片，每个进程轮流执行一个时间片，适用于多用户环境。最短作业优先(SJF)选择下一个执行时间最短的进程，可以减少平均等待时间，但需要预知作业执行时间。进程同步和互斥同步进程同步是指多个进程按一定顺序访问共享资源，确保数据一致性。例如，多个进程访问同一个数据库时，需要保证数据的完整性和一致性，避免出现冲突。互斥进程互斥是指在同一时间，只有一个进程可以访问共享资源，防止多个进程同时修改共享资源，避免出现数据冲突。实现方式常见的进程同步和互斥实现方式包括信号量、管程、临界区等。这些机制通过锁和条件变量等机制来控制多个进程对共享资源的访问。内存管理内存管理是操作系统的重要功能，它负责管理计算机系统中的内存资源。操作系统通过内存管理，确保程序能够有效地使用内存空间，并防止不同程序之间发生冲突。内存管理概述1资源分配内存是宝贵的系统资源，需要进行有效分配。2地址转换内存管理负责将逻辑地址转换为物理地址，方便程序访问内存。3保护机制内存管理提供保护机制，防止程序相互干扰，保障系统稳定运行。4提高利用率内存管理的目标是尽可能提高内存利用率，减少内存浪费。连续内存分配单一连续分配将整个内存空间分配给一个进程，该进程独占内存，其他进程无法使用。固定分区分配将内存空间划分成固定大小的若干分区，每个分区只能被一个进程使用。可变分区分配将内存空间划分成大小可变的若干分区，每个分区可以被多个进程使用。分页内存管理1物理内存划分为大小相等的页面。2逻辑地址程序使用逻辑地址进行访问。3页表将逻辑地址转换为物理地址。分页内存管理将物理内存划分为等大小的页面，并使用页表将逻辑地址映射到物理地址。逻辑地址由页号和偏移量组成，页表将页号映射到对应的物理页帧。页面置换算法FIFO先进先出算法，简单易实现，但容易出现Belady异常。最佳置换算法选择未来最长时间不会被访问的页面，性能最佳，但无法实现。LRU选择最近最长时间未被访问的页面，性能较好，需要额外的硬件支持。文件管理文件管理是操作系统核心功能之一，负责管理计算机中存储的文件。文件管理提供创建、删除、修改、复制、移动、检索等操作，使数据能够被组织、存储和访问。文件概念与组织文件文件是计算机系统存储信息的单位。它是以特定格式组织的数据集合。系统将文件作为基本存储单元，提供对数据的管理和操作。例如，文本文件包含文本数据，图像文件包含图像数据，程序文件包含程序代码。文件组织文件组织指的是文件在存储介质上如何排列和组织。常见的组织方式包括顺序文件，索引文件和直接文件等。不同的组织方式会影响文件的访问速度和存储效率。文件系统结构树形结构将文件组织成树形结构，以根目录为起点，分支为子目录，叶子节点为文件。图状结构使用图来表示文件之间的关系，适用于文件之间存在复杂链接的情况。表格结构以表格的形式存储文件信息，例如文件名、大小、创建时间等，方便管理和检索文件。文件访问方法顺序访问顺序访问方法类似于磁带机，一次读取一个文件，从头到尾依次访问，速度较慢，适用于顺序存储的文件。直接访问直接访问方法允许用户直接访问文件中的任意位置，速度快，适用于随机存储的文件。索引顺序访问索引顺序访问方法结合了顺序访问和直接访问的优点，通过索引表查找文件位置，提高了访问效率。内容寻址文件系统内容寻址文件系统根据文件内容生成唯一的标识符，无需文件名或路径信息，提高了安全性。设备管理设备管理是操作系统的重要组成部分。它负责管理计算机系统中的各种硬件设备，包括输入设备、输出设备、存储设备等。设备的分类与特点输入设备键盘、鼠标、扫描仪等，主要用于将数据输入到计算机系统。输出设备显示器、打印机、音箱等，主要用于将计算机处理结果输出。存储设备硬盘、固态硬盘、光盘等，用于存储数据和程序。通信设备网卡、调制解调器等，用于实现计算机之间的通信。设备驱动程序1硬件抽象层设备驱动程序为操作系统提供硬件抽象层，隐藏了硬件的具体细节。2数据交互驱动程序负责与硬件设备进行数据交换，将硬件数据转换为操作系统可理解的形式。3事件处理驱动程序处理硬件中断和事件，并通知操作系统进行处理。4资源管理驱动程序负责分配和管理硬件资源，确保硬件设备的正常使用。设备分配与回收设备分配操作系统需要将设备分配给请求它们的进程。分配过程需要考虑设备类型、资源使用率等因素。设备回收当进程不再需要设备时，需要将其回收。回收过程需要确保设备状态的正确性，以便其他进程使用。动态分配动态分配允许根据需要分配和释放设备资源。它提高了资源利用率和灵活性。输入/输出系统输入/输出系统是操作系统的重要组成部分。它负责管理计算机系统与外部设备之间的信息交换，并提供用户与设备之间的接口。I/O系统概述数据传输通道I/O系统负责数据在CPU和外部设备之间的传输。例如，硬盘、打印机、键盘等。I/O系统需要处理各种类型的设备，例如：字符设备、块设备和网络设备。缓冲区管理数据交换区域操作系统使用缓冲区作为数据在不同设备之间交换的临时存储区域。提高数据访问速度通过将常用的数据缓存到缓冲区，减少了设备访问次数，提升了数据访问效率。同步数据传输缓冲区作为进程和设备之间进行数据交换的媒介，确保了数据传输的同步性。磁盘调度算法先来先服务(FCFS)最简单的磁盘调度算法。按请求到达顺序分配服务。可能导致磁盘臂频繁移动，效率低下。最短寻道时间优先(SSTF)选择与当前磁头位置距离最短的请求，减少磁盘臂移动次数，提高效率。可能导致某些请求长时间等待。扫描算法(SCAN)磁头从当前位置向一个方向移动，处理所有请求，然后反向移动，处理另一个方向的所有请求。平衡效率和公平性。电梯算法(LOOK)扫描算法的改进，磁头只移动到请求所在的磁道范围，避免无用移动。提高效率，节省时间。操作系统安全性操作系统安全性至关重要，保护系统免受恶意攻击和数据泄露。安全性概述数据机密性保护敏感信息免遭未经授权的访问和使用，例如用户密码、个人信息和商业机密等。数据完整性确保数据不被篡改或破坏，防止恶意攻击者修改或删除数据。系统可用性确保系统持续运行和提供服务，即使面对攻击或故障也要保持稳定运行。访问控制1访问控制访问控制用于限制对系统资源的访问，保护敏感信息安全。2访问控制列表ACL是一种常见的访问控制机制，用于定义特定用户或组对资源的访问权限。3身份验证和授权身份验证确保用户身份的真实性，授权则决定用户对资源的访问权限。4访问控制策略制定明确