上海交通大学操作系统课件大全

上海交通大学操作系统课件大全欢迎来到上海交通大学操作系统课件大全，我们将一起探索操作系统的奥秘，从基础知识到最新技术，带您深入了解这个现代计算机的核心。课程简介：操作系统的重要性操作系统是计算机系统的心脏，它是连接硬件和软件的桥梁，管理着计算机的资源，为用户提供一个友好的使用环境。作用操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括CPU、内存、磁盘、外设等，并提供各种服务，如进程管理、内存管理、文件管理、I/O管理等。课程目标：掌握1理解操作系统的核心概念，如进程、线程、内存管理、文件系统等。2掌握操作系统的基本原理和工作机制，能够分析和解决操作系统相关问题。3了解操作系统的最新发展趋势，包括云计算、大数据、容器技术等。课程大纲：章节概览1基础知识操作系统简介、发展史、类型和结构2进程管理进程的概念、状态、控制块、调度算法3线程线程的实现方式、同步机制4死锁死锁的产生、预防、避免和检测5内存管理内存分配方式、虚拟内存、页面置换算法6文件系统文件概念、目录结构、存储方式、磁盘空间管理7I/O系统I/O设备分类、控制方式、驱动程序、缓冲区管理、磁盘调度算法8安全性身份认证、访问控制、恶意代码防范、保护机制9操作系统实例Linux内核分析10发展趋势云计算、大数据、容器技术、虚拟化技术、嵌入式操作系统、实时操作系统预备知识：计算机体系结构基础CPU中央处理器，负责执行程序指令，是计算机的核心。内存随机存取存储器，用于存储程序和数据，速度快但容量有限。磁盘用于存储数据，容量大但速度慢。外设键盘、鼠标、显示器等，用于与用户交互。操作系统发展史：从批处理到云计算1批处理系统将多个作业按顺序执行，效率低，无交互性。2分时系统允许多个用户同时使用计算机，并能及时响应用户的请求，交互性强。3实时系统对事件的响应时间有严格的要求，用于工业控制、航空航天等领域。4个人计算机系统为个人用户提供一个简单易用的操作系统，例如Windows、macOS。5网络操作系统支持多个计算机之间的通信和资源共享，例如Unix、Linux。6云计算操作系统将计算资源作为服务提供给用户，例如GoogleCloudPlatform、AWS。操作系统的作用和地位管理硬件资源操作系统负责管理CPU、内存、磁盘、外设等硬件资源，并分配给不同的程序使用。提供系统服务操作系统为应用程序提供各种服务，例如进程管理、内存管理、文件管理、I/O管理等。用户界面操作系统为用户提供一个友好的界面，方便用户使用计算机。操作系统的类型：批处理、分时、实时批处理系统将多个作业按顺序执行，效率低，无交互性，适合批量处理数据。分时系统允许多个用户同时使用计算机，并能及时响应用户的请求，交互性强，适合多人协作。实时系统对事件的响应时间有严格的要求，用于工业控制、航空航天等领域。操作系统结构：单内核、微内核单内核将所有操作系统功能集中在一个内核中，效率高，但代码复杂，难以维护。微内核将操作系统功能分成多个模块，只有最基本的功能在内核中，其他功能以模块的形式运行，易于扩展和维护，但效率可能较低。系统调用：用户态与内核态的切换用户态应用程序运行在用户态，访问受限。系统调用当应用程序需要访问系统资源时，会发起系统调用，进入内核态。内核态操作系统运行在内核态，具有最高权限，可以访问所有系统资源。进程管理：进程的概念进程是操作系统进行资源分配和调度的一个基本单位，它是一个正在执行的程序的实例，包含了程序代码、数据以及运行时状态。进程的状态：新建、就绪、运行、阻塞、死亡新建进程正在创建，尚未准备好运行。1就绪进程已准备好运行，等待CPU分配。2运行进程正在执行。3阻塞进程正在等待某个事件，例如I/O操作完成。4死亡进程已完成执行，不再运行。5进程控制块（PCB）：进程的身份证明进程标识符用于唯一标识一个进程，例如PID。进程状态表示进程当前所处的状态，例如新建、就绪、运行、阻塞、死亡。程序计数器指示程序执行到哪个位置。CPU寄存器保存进程运行时的状态信息。进程调度：调度算法概述进程调度是指操作系统按照一定的策略选择一个或多个进程来运行，其目的是为了提高CPU利用率和系统吞吐量。先来先服务（FCFS）调度算法1算法描述按照进程到达的顺序进行调度，先到达的进程先执行。2优点简单易实现。3缺点容易造成短进程被长进程阻塞，导致系统效率低下。短作业优先（SJF）调度算法1算法描述每次选择最短的作业来运行。2优点平均等待时间最短。3缺点难以预测作业的运行时间，无法提前知道哪个作业最短。优先级调度算法1算法描述为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先运行。2优点可以根据进程的优先级进行调度，例如，实时进程优先级高于普通进程。3缺点优先级低的进程可能长期得不到执行，导致饥饿现象。时间片轮转调度算法1算法描述为每个进程分配一个时间片，每个进程运行一个时间片后，被挂起，然后选择下一个进程运行。2优点可以保证每个进程都能得到执行，避免饥饿现象。3缺点时间片的设置需要根据实际情况进行调整，时间片过短会导致频繁切换，降低效率。多级反馈队列调度算法1算法描述设置多个优先级队列，每个队列都有不同的时间片，新进程进入最高优先级队列，当进程超过时间片后，降级到下一个队列。2优点能够兼顾不同类型进程的需求，并能较好地解决饥饿问题。3缺点算法实现较为复杂。线程：轻量级进程线程是操作系统能够进行调度的最小单位，它是在进程内部执行的代码流，多个线程共享同一个进程的地址空间和资源。线程的实现方式：用户级线程、内核级线程用户级线程由用户程序管理，线程的创建、调度和销毁由用户程序完成，效率高，但无法利用内核提供的线程支持。内核级线程由操作系统内核管理，线程的创建、调度和销毁由内核完成，可以利用内核提供的线程支持，但效率可能较低。进程同步：临界区问题当多个进程共享同一个资源时，为了保证数据的一致性，需要协调它们对资源的访问，这就是进程同步问题。临界区是指每个进程访问共享资源的代码段。互斥锁：保证独占访问互斥锁是一种用于保护临界区的同步机制，它可以保证同一时间只有一个进程可以访问临界区，其他进程必须等待互斥锁释放后才能访问。信号量：控制资源访问信号量是一种用于控制资源访问的同步机制，它可以表示可用资源的数量，进程在访问资源之前需要获取信号量，当资源被占用时，信号量会减一，当资源释放时，信号量会加一。管程：高级同步机制管程是一种高级的同步机制，它将临界区和同步操作封装在一个数据结构中，并提供了一组操作这些数据的函数，可以有效地解决同步问题。死锁：死锁的产生条件互斥资源必须是排他性的，即同一时间只能被一个进程使用。占有并等待进程已经占有至少一个资源，并且正在等待另一个资源。不可剥夺进程不能强制释放已经获得的资源，只有进程自己才能释放资源。循环等待存在一个循环等待链，每个进程都在等待链中下一个进程所占有的资源。死锁预防：破坏死锁条件死锁预防是指在系统设计时采取措施，破坏死锁产生的条件，从而避免死锁发生。死锁避免：银行家算法死锁避免是指在资源分配过程中，根据当前系统状态和未来资源需求，采取措施，避免系统进入死锁状态。银行家算法是一种典型的死锁避免算法。死锁检测与解除死锁检测是指在系统运行过程中，检测系统是否发生了死锁，如果发生死锁，则需要进行死锁解除。内存管理：内存分配方式内存管理是指操作系统如何分配和管理计算机的内存空间，其目的是为了有效地利用内存资源，并防止程序之间的相互干扰。连续分配：固定分区、可变分区固定分区将内存分成若干个固定大小的分区，每个分区只能被一个进程占用。可变分区将内存划分成多个大小不固定的分区，可以根据进程的大小进行分配，但会造成内存碎片。非连续分配：分页、分段分页将进程的地址空间分成大小相同的页面，将内存也分成大小相同的页框，页面可以加载到任何页框中。分段将进程的地址空间分成逻辑上连续的段，每个段可以有不同的长度，段可以加载到内存中的任何位置。虚拟内存：按需调页虚拟内存是指利用磁盘空间作为内存的扩展，将程序的代码和数据存储在磁盘上，只有需要的时候才加载到内存中，从而可以运行比物理内存容量更大的程序。页表：虚拟地址到物理地址的映射页表是一个数据结构，它记录了虚拟地址到物理地址的映射关系，当进程访问虚拟地址时，操作系统会通过页表找到对应的物理地址。页面置换算法：FIFO、LRU、OPTFIFO先进先出，最先进入内存的页面最先被替换。LRU最近最少使用，最久未被访问的页面最先被替换。OPT最佳置换，未来最长时间不会被访问的页面最先被替换，但无法实现。文件系统：文件概念文件系统是指操作系统如何管理和存储文件，它为用户提供了一种方便的方式来组织和访问数据。文件目录结构：树形结构文件目录结构通常采用树形结构，根目录位于树的顶端，其他目录和文件作为树的节点，通过路径名可以访问到任何文件或目录。文件存储方式：连续、链式、索引连续分配将文件连续存储在磁盘上，效率高，但会造成磁盘空间碎片。链式分配将文件存储在磁盘上的多个非连续块中，每个块包含指向下一个块的指针，可以避免磁盘空间碎片，但效率较低。索引分配使用索引块来记录文件各个块在磁盘上的位置，效率高，但需要额外的索引块。磁盘空间管理：空闲空间列表、位图空闲空间列表记录磁盘上所有空闲块的信息，当需要分配空间时，从列表中选择合适的空闲块。位图使用位图来表示磁盘空间的使用情况，每个位代表一个磁盘块，1表示已占用，0表示空闲，当需要分配空间时，找到位图中第一个为0的位。I/O系统：I/O设备分类输入设备键盘、鼠标、扫描仪等，用于向计算机输入数据。输出设备显示器、打印机、扬声器等，用于将计算机处理的结果输出给用户。存储设备磁盘、光驱、闪存等，用于存储数据。网络设备网卡、路由器、交换机等，用于计算机之间的通信。I/O控制方式：轮询、中断、DMA轮询CPU不断地检查I/O设备的状态，效率低。中断当I/O设备完成操作后，会向CPU发送中断信号，CPU中断当前任务处理中断请求，效率高。DMA直接内存访问，I/O设备可以直接访问内存，不需要CPU干预，效率最高。设备驱动程序：连接硬件与软件设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，它负责控制硬件设备，并将硬件设备的信息提供给操作系统。缓冲区管理：提高I/O效率缓冲区是一种临时存储区域，用于缓存I/O数据，可以提高I/O效率，减少CPU等待时间。磁盘调度算法：FCFS、SSTF、SCAN、C-SCANFCFS先来先服务，按照请求到达的顺序进行服务，简单易实现，但可能造成磁头移动距离较大。SSTF最短寻道时间优先，每次选择距离当前磁头最近的请求进行服务，可以减少磁头移动距离，但可能造成磁头频繁往返，效率低。SCAN扫描算法，磁头从一个方向扫描到另一个方向，遇到请求就进行服务，可以减少磁头移动距离，但可能会造成某些请求等待时间过长。C-SCAN循环扫描算法，磁头扫描完一个方向后，从另一个方向的尽头开始扫描，可以避免磁头频繁往返，提高效率。安全性：身份认证身份认证是指验证用户身份的过程，目的是为了防止未经授权的用户访问系统资源。常用的身份认证方法包括用户名密码认证、生物特征认证等。访问控制：权限管理访问控制是指控制用户对系统资源的访问权限，目的是为了保护系统资源的安全，防止用户误操作或恶意操作。常用的访问控制方法包括基于角色的访问控制、基于属性的访问控制等。恶意代码防范恶意代码是指旨在破坏计算机系统或窃取用户数据的代码，例如病毒、木马、蠕虫等。操作系统需要提供防范恶意代码的机制，例如杀毒软件、防火墙等。保护机制：用户权限分级操作系统通常将用户分为不同的权限等级，例如管理员、普通用户等，不同权限的用户可以访问不同的系统资源，从而保证系统的安全。操作系统实例：Linux内核分析Linux是一个开源的操作系统，其内核是操作系统中最核心的部分，它负责管理计算机的硬件资源，为用户提供各种系统服务。Linux进程管理Linux进程管理是Linux内核的一个重要组成部分，它负责管理进程的创建、调度、同步、通信等。Linux内存管理Linux内存管理是Linux内核的另一个重要组成部分，它负责管理计算机的内存空间，包括内存分配、虚拟内存、页面置换等。Linux文件系统Linux文件系统是Linux内核的组成部分，它负责管理文件和目录，为用户提供一个文件存储和访问的框架。操作系统的发展趋势：云计算、大数据随着云计算和大数据技术的快速发展，操作系统也面