《计算机操作系统》课件

《计算机操作系统》课程概述本课程将深入探讨计算机操作系统的核心概念和原理。课程内容涵盖操作系统的设计、实现和应用等方面。作者：计算机系统的基本组成主板主板是计算机的核心部件，连接所有其他组件，如CPU、内存和硬盘。中央处理器(CPU)CPU是计算机的大脑，负责执行指令和处理数据。内存内存是用于存储正在运行的程序和数据的临时存储器。硬盘硬盘是用于存储数据的长期存储器。操作系统的定义和功能定义操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理和控制计算机硬件资源，以及为用户提供使用计算机的接口。功能操作系统主要功能包括：管理计算机硬件资源，如CPU、内存、磁盘、网络等；提供用户接口，如命令行界面或图形用户界面；运行应用程序，并为应用程序提供运行环境；管理用户和文件，保证系统安全。操作系统的发展历程1批处理系统早期操作系统，逐个执行任务，效率低下。2分时系统多个用户共享系统资源，提高效率。3实时系统实时响应外部事件，应用于工业控制。4网络操作系统支持多个计算机联网，共享资源。5分布式操作系统分布式系统，提高可靠性。操作系统的发展历程是一个不断进化的过程，从最初的批处理系统到现代的分布式系统，不断提升效率、功能和安全。操作系统的分类批处理操作系统批处理操作系统将用户作业成批提交，并按顺序执行。此类系统效率高，但缺乏交互性。分时操作系统分时操作系统将系统资源分配给多个用户，使多个用户可以同时使用计算机，提高系统利用率。实时操作系统实时操作系统要求系统对事件做出快速响应，通常用于工业控制、航空航天等领域。网络操作系统网络操作系统管理网络资源，使计算机之间可以相互通信，例如WindowsServer、Linux等。进程的概念与状态定义进程是指一个正在执行的程序的实例，是一个动态的概念。状态运行态就绪态阻塞态进程控制与调度1进程控制操作系统负责创建、撤销、挂起和激活进程。这些操作是进程控制的核心。进程控制是通过系统调用来实现的。2进程调度进程调度是操作系统决定哪个进程应该在何时使用CPU的过程。调度算法的选择对于系统性能至关重要。3多任务处理进程调度器通过高效地分配CPU资源来实现多任务处理，让多个进程共享CPU，从而提高系统利用率。线程技术1轻量级进程线程是进程中的执行单元，也称为轻量级进程，可以共享进程的资源，如内存空间、打开的文件等。2并发执行一个进程可以包含多个线程，这些线程可以并发执行，提高程序效率和响应能力。3提高性能线程可以充分利用多核处理器，提高程序执行速度，例如，在多线程Web服务器中，多个线程可以同时处理多个用户请求。4简化编程线程可以使程序代码更容易理解和维护，例如，在图形界面程序中，可以将不同的任务分配给不同的线程，例如，一个线程负责更新界面，另一个线程负责处理用户输入。处理机管理处理机管理处理机管理是操作系统的重要功能之一，负责分配和管理处理机资源，以最大限度地提高系统效率。调度算法操作系统使用各种调度算法，例如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度等，来决定哪个进程获得处理机资源。进程切换当一个进程的执行时间片用完或被其他进程抢占时，操作系统会进行进程切换，将处理机资源分配给另一个进程。内存管理概述内存资源管理操作系统负责分配和回收内存资源。它决定哪些程序可以使用内存，以及如何使用内存。地址空间管理操作系统将物理内存映射到逻辑地址空间，使程序员无需关心物理地址。程序内存分配操作系统为程序分配内存空间，以确保程序的正常运行。内存保护操作系统保护程序的内存空间，防止程序相互干扰。连续分配方式单一连续分配将内存空间划分成一个系统区和一个用户区，用户程序被装入用户区。简单易实现，但内存利用率低，容易造成内存碎片。固定分区分配将内存空间划分成若干个固定大小的分区，每个分区只能装入一个程序。程序大小必须小于分区大小，导致内存浪费，也不利于内存共享。分页存储管理11.物理地址与逻辑地址将程序分成大小相同的页面，每个页面对应一个物理内存块。22.页面表使用页面表来记录页面在内存中的物理地址，实现逻辑地址到物理地址的转换。33.页面置换当内存不足时，使用页面置换算法选择页面从内存中移出，释放空间给新页面。44.优点提高内存利用率，允许程序大于物理内存，支持多道程序运行，方便程序管理。分段存储管理程序逻辑划分将程序划分为若干个逻辑上相互独立的段，每个段对应程序中的一个逻辑单元。段表管理系统建立段表，记录每个段的起始地址和长度，以便进行地址转换。段页式管理结合分段和分页的优点，将程序分成段，再将每个段分页，以提高内存利用率。虚拟内存技术虚拟内存概念虚拟内存技术使用硬盘空间扩展物理内存容量。它让程序可以访问超过实际物理内存大小的地址空间。虚拟内存使用页表来管理物理内存和虚拟内存之间的映射关系。虚拟内存机制当程序需要访问不在物理内存中的数据时，操作系统会将数据从硬盘加载到物理内存。页面置换算法决定哪个页面被移出物理内存。虚拟内存优势虚拟内存允许运行多个大型程序，因为它们可以共享物理内存。它提高了系统资源利用率，并简化了内存管理。文件系统定义及特点文件系统定义文件系统是操作系统中用于管理文件和目录的结构，为用户提供访问、存储和检索文件的功能。文件系统特点文件系统提供组织、管理和保护文件的功能，便于用户对数据进行管理，提高数据安全性。文件系统作用文件系统作为操作系统与硬件之间的桥梁，将数据以结构化的方式进行管理，提高计算机系统效率。文件的逻辑结构顺序结构文件信息依次存储，访问时按顺序读取，简单高效，适用于顺序访问的文件。链接结构文件信息以链接形式存储，可实现非顺序访问，灵活性高，但维护复杂，适用于随机访问的文件。索引结构文件信息以索引形式存储，通过索引表快速定位文件块，提高访问速度，适用于大规模文件。混合结构结合多种结构优势，根据文件类型选择合适结构，灵活高效，适用于多类型文件。文件目录结构1树形结构将文件系统组织成树状结构，根目录为树根，其他目录和文件作为树枝和树叶。2单级目录结构所有文件都位于同一个目录下，管理简单但效率较低，适用于小型系统。3二级目录结构将文件系统分为多个目录，每个目录包含特定类型文件，管理效率高于单级目录。4多级目录结构由多个层次的目录组成，每个目录可以包含子目录，可以更有效地组织和管理文件。文件访问控制访问权限控制操作系统通过访问权限控制列表管理用户对文件的访问权限。用户身份验证用户需要通过验证身份才能访问文件，确保文件安全。文件共享控制操作系统提供机制控制文件共享，确保文件安全和数据完整性。设备管理概述键盘用于向计算机输入字符和控制命令。鼠标用于控制光标在屏幕上的移动，选择菜单和文件。显示器用于显示计算机处理的结果和信息。硬盘用于存储操作系统、应用程序和用户数据。设备驱动程序连接桥梁设备驱动程序充当操作系统和硬件设备之间的桥梁，为操作系统提供访问设备的接口。管理硬件设备驱动程序负责管理硬件设备的运行，包括初始化、数据传输、错误处理等。定制化设计不同的硬件设备需要不同的驱动程序，驱动程序需要针对特定设备进行定制化设计。磁盘管理磁盘管理的任务磁盘管理主要负责磁盘空间的分配和回收，为文件系统提供物理块。此外，磁盘管理还负责优化磁盘空间的利用率，例如进行碎片整理，防止出现磁盘碎片。磁盘管理的主要功能磁盘空间的分配和回收，为文件系统提供物理块。磁盘访问控制，保证数据的安全性和完整性。优化磁盘性能，例如进行碎片整理，提高磁盘访问速度。输入输出系统系统与硬件交互桥梁负责将用户命令和程序数据传递给硬件，并将硬件的执行结果反馈给用户。I/O设备管理负责对系统中的各种输入输出设备进行管理，包括设备的分配、使用和释放。数据传输方式包括程序控制方式、中断方式、DMA方式等，以提高系统效率。缓冲区管理1数据交换桥梁缓冲区作为数据交换的桥梁，在用户空间和内核空间之间传递数据。2提高效率缓冲区允许设备和CPU异步工作，避免相互等待，提高系统效率。3减少I/O等待缓冲区可以将数据暂时存储，减少系统频繁访问I/O设备的次数。4数据缓存缓冲区可以缓存数据，为应用程序提供更快的访问速度。磁盘调度算法先来先服务(FCFS)按照请求到达磁盘的顺序进行调度，简单易实现，但容易造成磁盘臂频繁移动，效率较低。最短寻道时间优先(SSTF)选择距离当前磁头最近的请求进行服务，可以减少磁盘臂的移动距离，提高效率，但容易造成饥饿现象。扫描(SCAN)磁头从一端移动到另一端，沿途服务所有请求，可以有效地减少磁盘臂的移动距离，但也有可能造成饥饿现象。循环扫描(CSCAN)磁头从一端移动到另一端，然后立即回到起点，循环执行，可以避免饥饿现象，提高效率。死锁概念与产生条件死锁定义死锁是指多个进程因竞争资源而陷入僵持状态，无法继续执行，互相等待，最终导致系统资源浪费。死锁可能发生在多道程序系统中，多个进程共享资源，如果缺乏合理的控制，就会产生死锁。死锁产生条件死锁的产生需要满足四个必要条件，包括：互斥条件，占有且等待条件，不可剥夺条件和循环等待条件。当这四个条件同时成立时，就会发生死锁。死锁的预防和避免预防破坏死锁产生的必要条件避免在资源分配时，事先进行检查银行家算法是经典的死锁避免算法。死锁的检测与解除死锁检测死锁检测算法定期检查系统状态，判断是否存在循环等待条件。检测过程需要分析进程资源分配图，如果存在环路，则表明系统处于死锁状态。死锁解除死锁解除需要破坏现有死锁状态，恢复系统运行。常见解除方法包括撤销进程、抢占资源、回滚进程等，需要权衡不同方案的代价和效率。死锁恢复策略选择合适的死锁恢复策略至关重要。进程撤销方法简单但代价高，资源抢占可能导致数据丢失，回滚进程则需要记录操作日志，增加了系统复杂度。操作系统安全概述11.保护系统资源防止恶意用户或程序访问和修改系统资源，包括硬件、软件和数据。22.确保系统完整性防止恶意软件或攻击者破坏系统文件、配置和数据，保证系统正常运行。33.保障用户数据安全保护用户数据不被泄露、篡改或删除，确保用户数据的机密性和完整性。44.提供安全