现代操作系统课件

现代操作系统概论操作系统的定义和功能管理计算机硬件资源，如CPU、内存、磁盘和外设。提供用户界面，方便用户使用计算机。提供程序运行环境，支持应用程序的执行。操作系统的分类与发展历程1现代操作系统Windows,Linux,macOS2多用户操作系统UNIX,Multics3批处理操作系统IBM1401,OS/3604单用户操作系统MS-DOS,CP/M操作系统的基本组成1内核操作系统的核心，管理系统资源，控制硬件。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。3系统程序辅助内核完成系统管理任务，如文件系统、网络。操作系统的核心概念进程一个正在执行的程序的实例，是操作系统资源分配的基本单位。线程进程中的一个执行单元，共享进程的资源，但拥有自己的执行栈和程序计数器。内存管理管理计算机内存资源，分配和回收内存空间，提供虚拟内存等机制。文件管理管理存储在磁盘上的文件和目录，提供文件访问和操作接口。进程管理进程管理是操作系统中最重要的功能之一，负责创建、调度和终止进程，以及分配和管理进程所需的系统资源。进程创建创建新进程的步骤包括：分配进程ID、分配内存空间、加载程序代码和数据。进程调度进程调度算法决定了哪个进程应该获得CPU资源，以最大程度地利用CPU时间，并提高系统性能。进程终止进程终止时，操作系统会释放进程占用的所有资源，并将进程状态设置为已终止。进程的状态及转换1就绪状态进程已准备就绪，等待分配CPU2运行状态进程正在执行3阻塞状态进程等待某个事件，例如I/O完成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，但可能导致短作业长时间等待，不公平。最短作业优先(SJF)优先调度预计执行时间最短的进程，可以提高系统吞吐量，但需要提前知道作业长度，难以预测。优先级调度根据进程优先级进行调度，优先级高的进程优先执行，可以满足重要任务的快速执行，但需要合理设置优先级。时间片轮转将CPU时间分成时间片，每个进程轮流执行一个时间片，适合交互式系统，但可能存在时间片过长或过短的问题。并发与同步并发多个进程或线程同时运行，但实际上可能交替执行。同步多个进程或线程访问共享资源时，需要协调它们的访问，确保数据一致性。临界区与互斥机制临界区共享资源的代码段，多个进程需要访问，必须互斥访问，避免数据竞争。互斥机制确保一次只有一个进程访问临界区，通过信号量、锁等机制实现。内存管理内存管理是操作系统最重要的功能之一，负责分配、管理和回收系统内存资源。内存分配操作系统负责将内存分配给不同的进程和程序。内存保护操作系统确保每个进程只能访问分配给它的内存区域，防止其他进程的干扰。虚拟内存技术扩大地址空间虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间，从而可以运行更大的程序。多任务处理虚拟内存允许多个进程共享物理内存，提高内存利用率。内存保护虚拟内存提供了内存保护机制，防止一个进程访问另一个进程的内存空间。文件管理文件管理是操作系统的重要功能之一，负责管理和组织存储在计算机系统中的数据和程序。文件系统操作系统使用文件系统来组织文件，并提供对文件的访问控制。文件操作操作系统提供创建、删除、读写、复制、移动、重命名等文件操作。文件系统结构树形结构大多数文件系统采用树形结构，以目录为节点，文件为叶子节点。层次结构文件系统以层次结构组织文件，方便用户管理和访问。网络文件系统分布式文件系统允许用户访问不同位置的网络资源。文件系统操作1创建和删除文件文件系统提供创建新文件和删除现有文件的操作。2打开和关闭文件打开文件以进行读写操作，关闭文件释放资源。3读写文件从文件读取数据或写入数据到文件。4重命名和移动文件修改文件名称或将文件移至不同位置。输入输出管理操作系统管理和控制计算机系统的所有资源，包括输入输出设备。输入输出管理是操作系统中至关重要的组成部分，负责协调和控制硬件与软件之间的交互，有效利用设备资源。设备驱动程序连接硬件和软件的桥梁，提供统一的接口，屏蔽硬件差异。设备分配分配和释放硬件设备，确保不同应用程序能够安全访问设备资源。数据缓冲区管理缓冲区，提高数据传输效率，避免CPU等待I/O操作。设备管理硬件管理管理计算机系统中的硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和外设。驱动程序管理负责加载、卸载和管理设备驱动程序，以使操作系统能够与硬件设备进行交互。设备分配分配和管理设备资源，例如打印机、扫描仪和网络接口，以供多个进程共享。设备访问控制控制对设备的访问权限，以确保数据安全和系统稳定性。磁盘管理1数据存储磁盘管理负责数据的存储和检索。2文件系统它管理文件系统，包括文件分配和组织。3物理磁盘它负责分配磁盘空间和管理物理磁盘。4性能优化通过磁盘调度算法提升磁盘性能。安全性与保护机制操作系统必须提供安全机制，防止恶意用户或程序破坏系统或其他用户的资源。访问控制限制用户对系统资源的访问权限。权限管理分配不同用户或进程不同的操作权限。数据加密保护敏感数据的机密性。安全审计跟踪系统活动，记录安全事件。访问控制与权限管理用户身份验证确保用户是他们声称的人，防止未经授权的访问。资源访问控制限制用户对系统资源（如文件、文件夹、程序）的访问权限。权限管理分配不同的访问权限给不同的用户或用户组。操作系统的引导启动操作系统引导启动是计算机启动时执行的第一步，它加载并初始化操作系统，为用户提供一个可用的系统环境。1启动引导计算机加电后，BIOS程序会读取主引导记录（MBR），并加载引导加载程序（BootLoader）。2操作系统加载引导加载程序会将操作系统内核加载到内存中，并开始执行系统初始化操作。3系统初始化操作系统会初始化内存、硬件设备、文件系统等，并准备用户界面，完成系统启动过程。操作系统的安装与配置下载安装包从官方网站或可靠来源下载操作系统安装包。启动安装程序将安装包刻录到光盘或使用USB启动盘，然后启动安装程序。分区和格式化根据需要对硬盘进行分区和格式化，分配适当的空间给操作系统和其他数据。安装操作系统选择语言、时间区域等设置，并按照提示进行安装过程。配置基本设置完成安装后，配置基本设置，例如用户帐户、网络连接和驱动程序。Windows操作系统概述Windows是全球最流行的操作系统之一，拥有庞大的用户群和广泛的应用领域。图形用户界面Windows以其直观的图形用户界面而闻名，易于学习和使用。丰富的应用程序Windows拥有庞大的软件库，涵盖各种领域，满足用户的不同需求。Windows进程管理创建进程Windows使用CreateProcess函数创建进程，指定可执行文件和参数。内存管理Windows采用分页式内存管理，为每个进程分配独立的虚拟地址空间。线程管理Windows支持多线程编程，允许在单个进程中创建多个线程，提高效率。Windows内存管理分页式内存管理Windows使用分页式内存管理，将物理内存划分成固定大小的页面，并将虚拟内存划分为同样大小的页框。虚拟内存Windows使用虚拟内存来扩展可用内存，允许程序使用超过物理内存的内存空间。内存保护机制Windows提供内存保护机制，防止程序访问其他程序的内存空间，从而提高系统稳定性。Windows文件系统NTFS新技术文件系统(NTFS)是Windows的主要文件系统，它提供高级功能，例如：文件和文件夹权限磁盘配额压缩文件加密文件FAT32文件分配表(FAT32)是一种较旧的文件系统，主要用于闪存设备，例如：USB闪存盘SD卡Windows设备驱动程序硬件抽象层Windows设备驱动程序充当操作系统和硬件之间的桥梁，提供硬件抽象层，简化应用程序与设备的交互。驱动程序类型Windows支持多种类型的驱动程序，包括设备驱动程序、系统驱动程序、虚拟机驱动程序等，满足不同硬件设备的需求。驱动程序开发Windows提供丰富的驱动程序开发工具和文档，支持使用C++和C#等语言开发驱动程序，并提供调试和测试工具。Linux操作系统概述Linux是一款自由和开源的操作系统，在服务器、嵌入式系统和桌面环境中广泛使用。它以其稳定性、安全性、灵活性和强大的社区支持而闻名。1内核Linux内核是系统的核心，负责管理系统资源，如内存、处理器和外设。2用户空间用户空间包含用户程序和应用程序，以及与内核交互的系统调用接口。3GNU工具集GNU工具集提供了一套基本的命令行工具和库，用于构建和管理Linux系统。Linux进程管理进程树结构Linux使用树形结构组织进程，每个进程都有一个父进程，可以派生子进程，形成一个树状的进程关系。进程调度Linux内核使用多种调度算法来分配CPU时间，确保所有进程都能得到公平的运行机会。进程间通信Linux提供多种机制，允许进程之间相互传递信息和数据，实现协作和数据共享。Linux内存管理虚拟内存Linux使用虚拟内存技术，将物理内存扩展到磁盘空间。进程地址空间每个进程拥有独立的虚拟地址空间，防止相互干扰。页面置换算法使用LRU等算法，选择最少使用的页面进行替换。Linux文件系统1层次结构Linux文件系统采用树状结构，以根目录（/）为起点，包含各种子目录和文件。2虚拟文件系统（VFS）VFS提供一个统一的接口，使应用程序可以访问不同类型的