《操作系统原理ch》课件

操作系统原理探讨操作系统的基础概念和设计原理包括进程管理、内存管理、输入输出,以及文件管理等关键主题系统地介绍操作系统的架构、功能和设计思路,以帮助读者深入理解操作系统的工作机制操作系统的定义和功能操作系统的定义操作系统的功能操作系统是管理计算机硬件和操作系统可以进行进程管理、软件资源的系统软件为用户提内存管理、设备管理、文件管,供一个便利的使用环境理和安全管理等重要功能操作系统的优势操作系统提高了计算机的效率和安全性方便用户使用和维护计算机系,统操作系统的发展历程年代19401第一代电子计算机的出现年代19502批处理操作系统的引入年代19603分时操作系统的出现年代19704微处理器技术的发展操作系统的发展历程主要经历了从早期电子计算机到批处理系统、分时系统，再到微处理器技术支持下的现代操作系统的发展每个阶段都体现了计算机技术的进步和对用户需求的不断满足操作系统的基本组成硬件层内核层用户界面层操作系统的基础是计算机硬件包括、操作系统内核是操作系统的核心负责管操作系统提供图形界面或命令行界面让,CPU,,内存、磁盘等提供计算资源和存储空间理硬件资源、进程调度、内存管理等关用户与计算机交互运行应用程序,,键功能进程的概念和状态进程概念进程状态进程控制块进程是操作系统中独立运行的基本单元进程有新建、就绪、运行、阻塞和退出操作系统为每个进程维护一个进程控制,有独立的地址空间、资源和状态等不同状态状态间切换由操作系统调度块记录进程的重要属性和状态信息.,,.算法决定.进程的创建和切换进程的创建1操作系统提供了系统调用创建进程的功能,新进程称为子进程,父进程负责管理子进程的生命周期子进程独立于父进程运行,拥有自进程的切换己的地址空间和执行流2操作系统会根据进程的优先级和状态进行进程调度和切换当某个进程需要等待I/O操作或者主动放弃CPU时,操作系统会切换到上下文切换就绪队列中优先级更高的进程执行3进程切换时,操作系统需要保存当前进程的执行状态,并加载新进程的执行环境,这个过程称为上下文切换上下文切换会带来一定的性能开销线程的概念和创建线程概念线程优势12线程是操作系统中的基本执相比进程线程具有更快的创,行单元能独立运行并访问共建和切换速度以及更高的并,,享的系统资源发执行效率线程创建线程属性34通过调用操作系统提供的每个线程都有自己的栈空间、如等函程序计数器和寄存器集但共API,pthread_create,数来创建新的线程享进程的地址空间线程的调度和同步线程调度线程同步同步原语死锁预防操作系统通过线程调度算法为了避免多个线程之间的竞常见的同步原语包括关键区死锁是线程同步中的一个重在多个线程之间分配时争冲突操作系统提供了各域、自旋锁、读写锁等开要问题操作系统需要通过CPU,,,间确保系统资源得到高效种同步机制如互斥锁、信发者可根据应用需求选择合资源分配策略、死锁检测和,,利用常见的调度算法包括号量和条件变量等帮助开适的同步机制合理使用同死锁避免等措施来预防死锁,时间片轮转、优先级调度和发者协调线程间的活动步原语可以提高程序的并发的发生公平调度等性和可靠性进程和线程的区别进程概念线程概念主要区别进程是操作系统中的基本执行单位是资线程是进程中的执行单元是调度和进程拥有独立的地址空间线程共享进程,,CPU,源分配和调度的独立单位分派的基本单位的资源进程切换开销大线程切换开销小;,内存的基本概念内存的作用内存的种类12内存是计算机中最基础的硬件组件之一负责临时存储程序计算机内存可分为主存储器和辅助存储器其中主存储器包,,指令和数据以供中央处理器快速访问和执行括随机存取存储器和只读存储器,RAM ROM内存的特性内存地址空间34内存具有易失性、访问速度快、容量有限等特点需要配合内存地址空间指计算机可寻址的内存范围可以通过地址总,,中央处理器和存储管理机制才能发挥最大效能线访问到相应的内存单元内存地址空间的管理物理内存管理操作系统需要有效管理可用的物理内存空间包括内存分配、,回收和保护等逻辑地址空间每个进程拥有独立的逻辑地址空间以避免访问冲突和安全,隐患地址转换机制操作系统会将逻辑地址转换为物理地址以使进程能够正确,访问内存页式内存管理机制页式管理概述地址转换页面置换页面错误处理页式管理是一种将内存分成通过页表实现虚拟地址到物当物理内存不足时需要通当访问一个不在内存中的页,大小相等的页面块的内存管理地址的转换页表存储了过页面置换算法将某些页面面时会发生页面错误操作,理机制每个进程有自己的每个虚拟页面的物理页面号换出内存腾出空间供新页系统需要将该页面调入内存,地址空间可以将其分布在和访问权限等信息面使用常见算法包括并更新页表然后重新执行,,不同的页面上、和时钟算法指令FIFO LRU段式内存管理机制逻辑地址空间内存映射段式内存管理将程序的地址空操作系统将逻辑地址映射到物间分为若干个长度可变的段，理内存页帧，提高内存利用率每个段表示一种不同功能的代和地址转换效率码或数据保护机制灵活性段式管理可以为每个段设置权段的大小可变，有助于更好地限，防止程序越权访问其他段适应不同程序的内存需求的数据和代码虚拟内存管理机制内存地址映射页式虚拟内存分段虚拟内存缺页中断机制虚拟内存管理通过地址转换将内存划分为固定大小的页将程序的地址空间划分为多当访问不在物理内存中的虚技术将程序使用的逻辑地址面通过页表实现虚拟地址到个可独立管理的段通过段表拟页面时会产生缺页中断通,,,,,映射到实际的物理内存地址物理地址的转换实现高效的实现虚拟地址到物理地址的过页面置换算法将部分页面,,提供了更大的内存地址空间内存管理转换提高灵活性换出内存满足当前程序的需,,求页面置换算法先进先出最近最少使用最佳FIFO LRUOPT最简单的页面置换算法将最早进入内存根据页面最近的使用情况进行置换淘汰理想情况下置换出将来最长时间不会被,,,的页面置换出去但无法考虑页面使用最长时间未使用的页面可以较好地反访问的页面但无法在实际系统中实现频率映页面的使用频率文件系统的概念和作用存储组织文件操作文件系统提供了一种有组织的文件系统支持创建、读取、写方式来存储和管理数据文件使入、删除和管理文件的基本操,得计算机用户可以轻松地访问作让用户可以高效地组织和管,和管理存储在硬盘或其他存储理计算机中的数据设备上的信息命名与目录权限控制文件系统提供了命名和组织文文件系统可以设置访问权限以,件的机制如通过目录结构来实确保数据的安全性和隐私性防,,现文件的层次管理使文件更易止未经授权的访问或修改,于查找和管理文件的属性和操作文件属性文件名、大小、创建修改时间等信息可用来查看和管理文件文件操作包括创建、打开、读写、复制、移动、删除等基本操作通过这些操作可对文件进行管理文件权限控制用户对文件的访问权限,如读、写、执行等合理设置权限可确保数据安全文件的存储管理文件分配表（）索引节点（节点）日志式文件系统分层目录结构FAT i是一种常见的文件存储节点是文件系统日志式文件系统将所有的文文件系统通常采用分层的目FAT iUnix/Linux管理方式它将文件的数据中的基本单元它存储文件件操作记录在日志中这样录结构以树状的方式组织,,,,块链接在一起形成文件结构的元数据信息如文件大小、可以提高系统的可靠性和容文件和子目录方便管理和,,文件系统广泛应用于访问权限和物理磁盘地址等错性减少文件系统崩溃带查找FAT,操作系统中来的损失Windows目录的结构和操作层级结构操作方式12目录通常采用嵌套的层级结构以树状的方式组织管理文件常见的目录操作包括创建、删除、重命名、浏览、切换等,,和子目录用于对文件和子目录进行管理权限控制路径表示34目录通常拥有诸如读取、写入、执行等访问权限可以对用文件和目录在系统中通常使用绝对路径或相对路径的方式进,户操作进行限制行定位和访问磁盘管理机制磁盘分区文件系统结构操作系统可将物理磁盘划分为不同的文件系统结构如、,FAT多个逻辑分区提高存储空间利等提供不同的文件组织,NTFS,用率和系统性能和访问方式磁盘缓存管理磁盘调度IO操作系统会在内存中保留磁盘操作系统通过磁盘调度算法IO,数据缓存提高读写效率并采用如、等优化磁盘访,,FCFS SSTF,淘汰策略管理缓存问顺序提高吞吐量,磁盘调度算法先来先服务最短寻道时间优先扫描算法循环扫描算法FCFS SCANC-SSTF SCAN按照请求顺序逐个处理磁盘磁头从一端扫描到另一端,访问请求,简单易实现,但效选择距离当前磁头最近的请处理途中的所有请求,再反磁头只单向扫描,处理途中率较低求,可以减少整体寻道时间,方向扫描,可以最大化磁头的请求,可以减少磁头移动但可能造成某些请求长期得利用率时间,提高整体吞吐量不到服务输入输出设备的管理输入设备管理输出设备管理设备驱动程序操作系统需要管理各种输入设备如键盘、操作系统需要管理各种输出设备如显示操作系统通过设备驱动程序与各种输入,,鼠标、触摸屏等确保它们能稳定、高效器、打印机、扬声器等将计算机的处理输出设备进行交互提供统一的设备访问,,,地将用户输入传送到计算机结果准确地传递给用户接口简化应用程序的设备管理,设备驱动程序的作用设备接口设备驱动程序提供了计算机与硬件设备之间的标准接口,使得操作系统可以统一地管理不同种类的设备设备控制设备驱动程序负责向设备发送控制命令,并处理设备产生的中断,实现对设备的控制和管理设备抽象化设备驱动程序将复杂的硬件设备抽象成标准化的接口,屏蔽了底层硬件细节,方便上层软件使用缓冲区的概念和作用缓冲区概念作用一数据临时存储缓冲区是一块临时存储数据缓冲区可以暂存数据预防数,的内存区域它用于协调数据传输过程中的速度不匹配据传输速度差异使数据传输,更加平稳高效作用二数据优化传输作用三流量控制合理使用缓冲区可以减少数缓冲区可以根据实际情况调据传输的次数和错误提高传节数据流量避免数据丢失或,,输效率传输拥塞并发控制机制互斥锁信号量通过加锁和解锁机制保证同一维护一个计数器来限制同时访时刻只有一个线程访问共享资问共享资源的线程数量源条件变量读写锁允许线程在满足某些条件时被针对读写操作的不同需求提供唤醒避免资源竞争和死锁读锁和写锁以提高并发性,死锁的概念和预防死锁的概念死锁预防策略死锁预防措施死锁是指两个或更多的线程或进程因争常见的防止死锁发生的方法包括资源有通过合理设计资源管理机制合理分配资,夺资源而相互等待的一种僵局状态无法序分配、资源互斥分配、线程执行时间源避免线程陷入互相等待的死锁状态,,继续执行下去限制等资源分配与死锁检测资源分配策略死锁检测算法12操作系统需要制定合理的资操作系统可以采用资源分配源分配策略确保公平性和效图或者资源进程矩阵等方法,-,率性常见的策略包括先来定期检测系统中是否存在死先服务、最短作业优先等锁情况预防和解决死锁死锁的性能开销34一旦发现死锁可以通过剥夺死锁检测和解决机制本身也,资源、撤销进程等方式来预会带来一定的性能开销需要,防和解决死锁问题权衡利弊实时操作系统的特点响应时间快数据流处理可扩展性强故障容忍性实时操作系统能够快速响应实时操作系统擅长处理连续实时操作系统能够有效处理实时操作系统具有较强的容外部事件以确保及时完成任不断的数据流而不是批量处大规模数据在保持低延迟的错能力能够在出现故障时快,,,,务理同时保证高吞吐量速恢复实时操作系统的任务调度实时性1保证时间关键任务的及时响应优先级2根据任务重要性动态调整优先级可预测性3确保任务在截止时间内完成实时操作系统的任务调度必须满足实时性要求确保紧急任务能快速响应调度算法根据任务的优先级和截止时间动态调度使系统,,保持高度可预测性这需要精细的调度策略确保关键任务能按时完成提高整个系统的实时性能,,操作系统安全机制访问控制进程隔离内存保护安全审计操作系统通过用户权限和身操作系统使用进程隔离技术操作系统提供内存管理机制操作系统记录系统事件日志,,,份验证确保只有授权用户能限制不同进程之间的访问权防止进程越权访问其他进程方便管理员追踪和分析潜在够访问系统资源防止非法限确保一个进程出现故障的内存空间确保数据安全的安全问题,,,访问不会影响其他进程操作系统的性能评价。