《操作系统OSCha》课件

操作系统OSCha让我们一起探索操作系统的奥秘!从基础概念到高级功能,全面了解操作系统的原理与应用课程介绍深入学习操作系统掌握系统架构实践驱动学习本课程将全面介绍操作系统的概念、功能和通过对计算机系统结构的深入探讨,学会分安排大量编程实践,让学生在动手操作中加原理,涵盖进程管理、内存管理、文件管理析和理解操作系统的工作机制深对操作系统概念的理解等核心知识点操作系统概述操作系统是计算机系统的核心组件,负责管理计算机硬件资源,协调各种应用程序的运行,为用户提供友好的界面和工具它是用户与计算机硬件之间的中间层,使得用户能够更方便地使用计算机操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等,确保计算机系统的安全、可靠和高效运行它的发展历程也见证了计算机技术的进步,从早期的批处理系统到如今的图形用户界面GUI和移动操作系统,操作系统功能不断丰富和完善操作系统的功能资源管理任务调度12管理各种硬件资源,如CPU、负责多个程序之间的任务调度,内存和存储设备,合理分配和协确保各个任务能够公平、高效调这些资源的使用地使用系统资源文件管理安全保护34提供文件存储、检索和保护机建立权限控制机制,防止非法访制,管理用户文件及程序的存储问和数据丢失,保证系统和用户和访问数据的安全操作系统的发展历程批处理操作系统1通过作业调度管理程序运行作业分时操作系统2支持多用户交互并行执行实时操作系统3以确定性和可预测性为设计目标图形用户界面4提高用户体验和操作效率现代操作系统5集安全性、稳定性、可扩展性于一体操作系统经历了从批处理到分时、实时再到图形化界面的发展历程现代操作系统集安全性、稳定性和可扩展性等特性于一体,为用户提供更加友好的使用体验计算机系统结构计算机系统的基础架构包括硬件和软件两大部分硬件包括中央处理器CPU、内存、输入/输出设备等；软件包括操作系统、应用程序等这些组件相互协作,提供计算、存储和通信等基本功能,满足用户的各种计算需求系统结构的设计直接影响到系统的性能、可靠性和扩展性良好的系统结构有助于提升系统效率,降低维护成本进程管理进程创建进程调度操作系统负责创建和管理各种进程,为应用程序提供执行环境操作系统根据不同的调度算法,决定各个进程的执行顺序和时间片进程通信进程保护操作系统提供进程间通信机制,使进程能够交换信息和同步执行操作系统通过内存隔离和访问控制,确保进程互不干扰,数据安全进程的概念进程定义进程属性进程特征进程是操作系统中负责资源分配和执行的基进程具有程序计数器、进程状态、优先级、进程具有动态性、并发性和独立性等特征,本单位它拥有自己独立的地址空间、资源寄存器集合和内存分配等属性能够独立运行并访问系统资源和状态进程的基本状态新建状态就绪状态运行状态阻塞状态进程刚被创建,尚未被操作系进程已经准备好运行,只要分进程正在CPU上执行,占用进程由于等待某种条件而暂时统承认它需要等待被分配资配到CPU就可以立即执行CPU资源如果时间片用完停止运行,如等待I/O完成或者源和准备运行处于此状态的进程将参与调或者发生中断,进程将被剥夺等待某个信号量直到条件满度CPU转入就绪状态足进程才能转入就绪状态进程调度策略先来先服务调度时间片轮转调度优先级调度按照进程到达的先后顺序来安排进程执行,将CPU时间划分为固定长度的时间片,按照根据进程的优先级来安排执行顺序,可以保简单易懂但效率较低就绪队列中进程的先后顺序逐个获得时间片证重要进程优先得到服务执行并发与同步并发执行1多个进程同时执行竞争条件2进程间共享资源导致的冲突同步机制3协调进程间的执行顺序并发执行是操作系统的核心功能之一,能够提高系统资源利用率和响应速度但并发也会引发竞争条件问题,需要通过同步机制来协调进程间的执行顺序,防止资源竞争和数据不一致同步技术是操作系统设计的关键环节,确保了并发系统的正确性和高效性临界区问题什么是临界区临界区问题的危害临界区是指一个多线程程序中,两个或多个线程可能会同时访问和如果不加以控制,多个线程同时访问临界区资源会导致数据损坏、修改的共享资源这会导致数据竞争和不一致问题非预期的行为,甚至整个应用程序崩溃这是并发编程中一个需要特别注意的问题信号量机制信号量互斥量信号量是用于控制对共享资源的访问互斥量是一种特殊的信号量,用于保护的一种机制,它可以防止竞争条件的发临界区,确保同一时间只有一个进程可生以进入等待与唤醒死锁预防进程在申请资源失败时会被挂起,直到通过合理分配资源、避免循环等待等资源可用时被唤醒以继续执行方式可以有效预防死锁的发生死锁问题与预防死锁概述死锁的四个必要条件12死锁是指进程永远无法完成的一种资源竞争状态,发生在进程互斥条件、请求和保持条件、不可剥夺条件和环路等待条因争夺资源而被无限期地阻塞的情况件死锁预防策略死锁检测与解除34通过合理管理资源分配、限制资源占用时间、避免进程永久使用资源分配图、等待图等方法检测死锁,通过抢占资源、撤占用资源等措施来预防死锁发生销进程等策略来解决死锁问题内存管理内存分配方式虚拟内存技术操作系统采用连续分配、分页和虚拟内存技术可以扩展程序可用分段等多种内存分配方式,根据程的地址空间,提高内存利用效率,并序的特点和系统的需求灵活选实现了程序与物理内存的解耦择页面置换算法内存碎片问题操作系统采用先进先出FIFO、由于内存分配和回收不当,可能会最近最少使用LRU等页面置换产生内存碎片,需要操作系统采取算法,根据程序访问模式动态调整压缩等措施进行整理页面内存分配方式静态分配动态分配页式分配段式分配系统预先确定分配给各个进程进程运行时根据需要动态申请将内存划分为大小相等的页框,将内存划分为不等长的段,每个的内存大小,固定不变适合于和释放内存可充分利用内存进程使用时按需分配页框提进程有独立的段可实现地址小型系统和对实时性要求不高资源,但需要更复杂的内存管理高内存利用率,支持虚拟内存技空间保护,但需要更复杂的管的场合机制术理虚拟内存技术提高内存利用率隔离进程内存按需加载内存扩展虚拟内存技术通过将程序的地虚拟内存为每个进程分配独立虚拟内存技术实现了按需加虚拟内存将磁盘空间作为扩展址空间划分为页面,将部分页的地址空间,使进程间的内存载,只将所需的页面加载到内内存使用,大大增加了可用内面暂时存储在磁盘上,从而大相互隔离,提高了系统的安全存,减少了内存占用,提高了系存空间,满足了更多程序的内幅提高了内存的利用率性和稳定性统性能存需求页面置换算法最近最少使用先进先出1LRU2FIFO基于访问历史淘汰最长时间未按照页面进入内存的先后顺序被使用的页面，提高页面利用进行淘汰，简单易实现率3时钟算法4最优置换算法OPT使用访问位标记页面是否被访不可实现的理想算法，用于评问过，模拟时钟指针淘汰估其他算法的性能磁盘管理磁盘读写机制磁盘分区磁盘碎片整理磁盘通过磁头在磁盘表面读写数据,其中磁操作系统会将物理磁盘划分成多个逻辑分随着文件的不断写入和删除,磁盘上的数据头的位置和移动对磁盘的读写性能至关重区,以便更好地管理和利用磁盘空间不同会变得支离破碎操作系统需要定期进行碎要操作系统需要有效管理磁头的移动和定的分区可用于存储不同类型的数据片整理,优化磁盘的读写性能位磁盘调度算法先来先服务最短寻道时间优先FCFS SSTF按照请求顺序执行磁盘访问,简单优先处理距离当前磁头最近的请易实现,但可能导致平均访问时间求,可以减少平均寻道时间,但可能较长导致某些请求长期得不到服务扫描算法循环扫描算法SCAN C-SCAN磁头从一端移动到另一端,在移动磁头从一端移动到另一端后立即过程中服务所有经过的请求,可以返回到初始端,可以减少平均寻道减少平均寻道时间时间且更公平文件管理文件管理概念文件系统结构文件操作命令操作系统提供了文件管理的功能,让用户能操作系统采用分层的文件系统结构,将文件操作系统提供了一系列文件管理命令,如创够方便地创建、存储、查找和修改文件文组织为目录树,方便用户管理文件包括文建、删除、复制、移动、重命名等,用户可件管理是操作系统的重要组成部分件、目录、文件元数据等组成以灵活地管理文件文件的概念及特点文件概念文件操作文件结构文件是操作系统中最基本的存储单元它是用户可以对文件进行创建、打开、读写、关文件可分为顺序文件、索引文件和直接文件保存在辅助存储器上的有序集合,具有名闭、删除等基本操作,并可设置文件权限等结构,以适应不同的应用需求称、类型、大小等属性文件系统结构层次结构虚拟文件系统12文件系统通常采用层次结构,以操作系统提供一个虚拟文件系目录和子目录的方式组织文统,屏蔽了底层存储设备的差件这种结构直观易用,有助于异,为应用程序提供一致的文件管理大量文件访问接口物理设备管理元数据管理34文件系统负责管理磁盘、光驱文件系统维护文件的元数据,如等物理存储设备,包括分区、格文件名、大小、创建/修改时间式化、读写等功能等,用于快速查找和管理文件目录管理层次结构命名规则路径表示操作功能操作系统通常使用层次化的目每个目录和文件都有一个唯一用户可以通过绝对路径或相对目录管理系统提供创建、删录结构来组织和管理文件这的名称,遵循特定的命名规则,路径来指定文件位置,方便快除、重命名、移动等基本操种结构类似于树状结构,方便如长度限制、不能包含特殊字速定位路径分隔符因操作系作,使用户能够高效管理文件用户快速访问所需文件符等统而异结构设备管理设备驱动程序设备抽象化操作系统通过设备驱动程序与各种硬件设备进行通信和控制驱动操作系统会为不同的硬件设备提供统一的抽象接口,隐藏底层细节,方程序是设备管理的关键组成部分便用户程序调用设备调度即插即用操作系统需要合理调度I/O设备资源,实现设备共享,提高整体资源利现代操作系统支持即插即用技术,可自动检测和配置新增硬件设备用率中断机制中断的概念中断处理流程中断类型中断优先级中断是计算机系统中一种重要中断处理包括保存当前上下中断可分为硬件中断和软件中系统为不同中断设置优先级,的异步事件通知机制当I/O文、调用中断处理程序、处理断硬件中断由外部设备发确保重要中断得到及时响应,设备或其他硬件发生状态变化中断事件、恢复上下文等步起,软件中断由程序内部操作避免紧急事件被忽视优先级时,会向中央处理器发出中断骤,确保系统正常运行引起,如系统调用控制确保系统整体效率信号,通知其及时处理相关任务设备驱动程序设备驱动程序概述驱动程序安装与更新驱动程序工作模式设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的用户需要根据硬件设备的型号及操作系统类驱动程序工作在内核模式下,拥有更高的权重要中间件,负责控制和管理各类硬件设备型,安装正确的驱动程序操作系统也会自限和访问硬件资源的能力这样可以提高驱的运作它为上层应用程序提供统一的接动检测并安装缺失的驱动程序驱动程序的动程序的执行效率,但同时也增加了系统的口,隐藏了设备的具体实现细节及时更新对设备性能和系统稳定性至关重复杂性和潜在风险要输入输出系统设备驱动程序缓存管理操作系统与外围设备之间需要通为提高I/O效率,操作系统会使用过设备驱动程序进行交互和数据缓存技术暂存数据缓存可以减传输驱动程序提供了标准化的少磁盘访问次数,加速数据传输接口,简化了I/O操作异步I/O错误处理异步I/O可以在不阻塞主线程的情操作系统需要妥善处理各种I/O况下完成I/O操作,提高系统并发错误,保证数据的完整性和可靠性和响应性性保护与安全系统安全访问控制确保系统免受非法访问和破坏,保护重通过身份验证、权限管理等手段,限制要数据和信息资产的安全性用户对系统资源的访问和操作网络防护数据备份部署防火墙、入侵检测等技术,阻挡非定期备份数据,以防止重要信息丢失或法入侵和网络攻击,保护系统安全被破坏,确保数据安全总结与展望综合回顾通过深入学习操作系统的核心概念和关键技术,全面掌握操作系统的设计原理和实现方法关键启示操作系统是计算机系统的核心,理解其功能和演化对于设计更加先进的硬件和软件至关重要未来展望随着技术的不断发展,操作系统将面临诸如云计算、大数据、物联网等新的挑战,需要不断创新和完善。