《操作系统原理与实践》课件VIP

《操作系统原理与实践》课件操作系统概述用户界面提供用户与计算机交互的接口，包括图形界面(GUI)和命令行界面(CLI).资源管理负责管理计算机系统资源，包括CPU、内存、存储器和外设.程序执行加载和执行应用程序，并提供程序运行所需的必要环境.操作系统的历史发展1现代操作系统图形界面，多任务，网络功能2批处理系统提高计算机利用率，降低人工操作3单道批处理系统一个程序占用所有资源4手工操作用户直接操作机器操作系统的体系结构内核内核是操作系统的核心，管理着系统资源并提供基本服务。系统调用接口应用程序通过系统调用接口访问内核提供的服务。系统程序系统程序扩展了操作系统的功能，例如命令解释器、编译器和编辑器。用户应用程序用户应用程序在操作系统的管理下运行，并使用内核提供的服务。进程管理概念进程是操作系统分配资源的基本单位，是正在执行的程序的实例。每个进程拥有自己的地址空间、数据和堆栈，以及CPU时间片。状态进程可以处于多种状态，包括运行、就绪、阻塞、创建和终止。操作系统会根据进程的状态，管理其资源和执行。进程控制块(PCB)每个进程都有一个进程控制块(PCB)，包含了进程的所有信息，例如进程ID、状态、优先级、内存地址等。线程管理线程概念轻量级进程,共享地址空间和资源.多线程模型用户级线程,内核级线程,多对多模型.线程同步互斥锁,条件变量,信号量.内存管理1内存分配为进程分配内存空间，以确保每个进程拥有足够的内存来运行。2内存保护防止进程访问其他进程的内存空间，确保系统安全性和稳定性。3内存回收当进程不再需要内存时，将其释放回系统，以供其他进程使用。文件管理文件组织文件系统以树状结构组织文件，方便查找和管理。访问控制操作系统提供权限控制机制，保护文件安全。数据备份定期备份文件，防止数据丢失。设备管理硬件资源管理设备管理负责控制和分配计算机系统的硬件资源，包括输入设备、输出设备、存储设备等。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，负责与特定设备进行交互。设备独立性设备管理提供设备独立性，使应用程序能够以统一的方式访问不同的硬件设备。资源分配和调度设备管理负责分配和调度硬件资源，确保不同应用程序之间的公平访问。输入输出管理输入设备键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备显示器、打印机、扬声器等。存储设备硬盘、光驱、U盘等。进程调度算法先到先服务(FCFS)按照进程到达的顺序进行调度。简单易实现，但可能导致较长的等待时间，因为短进程会被长进程阻塞。最短作业优先(SJF)选择预计执行时间最短的进程进行调度。可以最小化平均等待时间，但需要预知进程执行时间，这在实际应用中很难实现。优先级调度根据每个进程的优先级进行调度，高优先级进程优先运行。易于实现，但可能导致优先级高的进程长期占用CPU，导致低优先级进程饿死。时间片轮转每个进程分配一个时间片，每个时间片内，进程可以执行，时间片用完后，换下一个进程执行。可以实现公平性和交互性，但需要较高的系统开销。内存分配方式1连续分配每个进程占用内存中连续的地址空间，简单易实现，但容易出现内存碎片。2分页分配将内存划分成固定大小的页面，每个进程可以分配多个页面，可以有效解决内存碎片问题。3分段分配将进程的地址空间划分为多个逻辑段，每个段可以分配不同的内存空间，方便用户编程和数据管理。虚拟内存技术扩展内存容量虚拟内存允许操作系统使用比物理内存更大的地址空间，从而运行更大的程序或处理更多数据。多道程序设计多个程序可以同时运行，即使它们总共需要的内存空间超过了物理内存的容量。提高系统效率虚拟内存通过将部分程序和数据暂时存储在磁盘上，减少了内存竞争，提高了系统效率。文件系统结构层次结构将文件组织成树形结构，便于管理和查找目录作为文件的容器，包含子目录和文件文件存储数据的基本单位，包含文件名、大小、类型和权限等信息磁盘调度算法先来先服务(FCFS)按照请求到达的顺序处理磁盘请求。最短寻道时间优先(SSTF)选择距离当前磁头最近的请求。扫描(SCAN)磁头从当前位置开始扫描整个磁盘，并按顺序处理请求。循环扫描(C-SCAN)扫描完成后，磁头从磁盘的另一端开始再次扫描。设备驱动程序1硬件抽象层提供统一的接口，屏蔽硬件差异。2操作系统接口与操作系统内核交互，完成设备管理功能。3硬件控制直接控制设备的寄存器和硬件操作。并发控制机制互斥确保在任何时刻只有一个进程可以访问临界资源，防止数据不一致。同步协调多个进程的执行顺序，确保它们按照预期顺序访问共享资源。数据一致性保证共享数据的一致性和完整性，避免数据冲突和错误。死锁的处理死锁检测使用算法定期检测系统是否存在死锁，并采取相应的措施。死锁预防通过破坏死锁产生的必要条件，例如资源分配顺序、互斥、占有和等待、循环等待等，来预防死锁。死锁恢复当死锁发生时，采取措施解除死锁，例如撤销进程、抢占资源、回滚操作等。分页和分段技术将逻辑地址空间划分为大小相等的页面将逻辑地址空间划分为大小可变的段物理内存也划分为大小相等的页框页面置换算法1最佳置换算法(OPT)该算法选择将来最长时间不会被访问的页面进行替换，能获得最低的缺页率。然而，它无法在实际系统中实现，因为无法预测未来的访问模式。2先进先出(FIFO)该算法选择最早进入内存的页面进行替换，简单易行，但可能导致频繁替换经常被访问的页面，造成性能下降。3最近最少使用(LRU)该算法选择最近最少使用的页面进行替换，通常能取得较好的性能，但需要维护一个页面访问时间表。4时钟算法(CLOCK)该算法是一种近似LRU的算法，通过设置一个循环指针和一个引用位来跟踪页面使用情况，实现高效的页面置换。文件分配方式连续分配文件在磁盘上连续存放，简单易实现，但易产生碎片问题。链接分配文件存放位置不连续，使用指针链接文件块，克服碎片问题，但文件访问效率较低。索引分配每个文件建立索引块，记录文件块在磁盘上的物理位置，提高文件访问效率，但索引块占用空间较多。文件目录结构树形结构文件目录通常采用树形结构，其中根目录位于树的顶端，其他目录和文件作为分支展开。路径名每个文件和目录都有一个唯一的路径名，用于标识其在目录树中的位置。目录操作操作系统提供创建、删除、重命名目录以及在目录中添加或删除文件等操作。设备I/O控制方式程序控制方式CPU直接控制设备进行数据传输，效率低，但简单易实现。中断驱动方式设备完成操作后，向CPU发出中断请求，提高CPU利用率。DMA方式直接内存存取，无需CPU干预，高效，适用于高速设备。通道方式专门的硬件通道负责设备控制，CPU只负责总体控制，提高系统效率。缓冲区管理减少I/O次数缓冲区可以将数据集中到一起，一次性进行I/O操作，减少I/O的次数，提高效率。提高CPU利用率CPU不必等待I/O操作完成，可以继续执行其他任务，提高CPU的利用率。数据共享多个进程可以共享同一个缓冲区，方便进程之间进行数据交换。实时操作系统实时性实时操作系统对时间敏感，必须在严格的时间限制内响应事件。确定性实时操作系统必须提供可预测的性能，以确保系统按预期运行。可靠性实时操作系统需要高度的可靠性，以防止系统故障导致灾难性后果。嵌入式操作系统专用性针对特定硬件平台和应用场景设计，例如汽车、手机、机器人。资源受限内存、存储空间、处理能力有限，需要精简设计和优化。实时性对时间响应要求严格，例如工业控制系统和医疗设备。异常和中断处理异常处理程序运行期间出现的错误，例如除以零、数组越界等。中断处理由硬件或软件事件引起的程序暂停，例如时钟中断、磁盘中断等。系统调用用户程序向操作系统请求服务的机制，例如文件操作、内存分配等。系统安全机制访问控制限制对系统资源的访问，例如文件、程序和硬件。这可以防止未经授权的用户访问敏感信息或更改系统配置。身份验证验证用户的身份，确保只有授权用户才能访问系统资源。常见的身份验证方法包括用户名密码、生物识别和多因素身份验证。数据加密将敏感数据加密以防止未经授权的访问。加密算法使用密钥对数据进行编码，只有拥有正确密钥的人才能解密数据。安全审计跟踪系统活动以检测潜在的安全威胁。审计日志记录用户操作、系统事件和错误，以便在发生安全事件时进行调查。操作系统性能评价5指标3方法1工具操作系统性能评价是衡量操作系统效率和有效性的关键。通过性能指标的测量和分析，我们可以优化系统资源利用，提高系统响应速度，提升用户体验。未来操作系统趋势1云原生云计算、容器化和微服务架构的兴起2人工智能机器学习和深度学习技术融入操作系统