计算机操作系统课件

计算机操作系统计算机操作系统是管理和控制计算机硬件和软件资源的核心软件它负责提供用户接口、资源分配、任务调度和文件管理等基本功能本课件将深入探讨操作系统的关键概念和设计原理操作系统概述什么是操作系统操作系统的功能操作系统的发展操作系统的种类操作系统是控制和管理计算包括进程管理、内存管理、从早期的批处理系统到现代包括Windows、Linux、Unix机硬件、软件资源的系统程设备管理、文件管理等,确保的交互式图形界面系统,操作等桌面操作系统,以及序,为用户提供使用计算机的计算机高效、安全地运行系统不断创新升级以满足用Android、iOS等移动设备操作接口户需求系统操作系统的发展历程最初的操作系统20世纪40年代,计算机是由专业人员手动操作,没有标准的操作系统批处理操作系统50年代,出现了提交作业卡片的批处理操作系统,提高了计算机利用效率分时操作系统60年代,分时操作系统允许多用户同时使用,方便交互和资源共享个人计算机操作系统70年代,微型计算机操作系统如DOS和Windows开始普及,降低了使用门槛现代操作系统80年代开始,Unix和Linux等开源操作系统广泛使用,功能更加强大操作系统的基本功能进程管理内存管理12负责管理和控制系统中的进程,包括进程的创建、调度和终止负责管理系统中的物理内存和虚拟内存,实现有限内存资源的等高效利用文件管理设备管理34负责管理系统中的文件,包括文件的创建、读写和存储等负责管理系统中的各种输入输出设备,保证数据的可靠传输操作系统的分类按功能分类按用户界面分类包括通用操作系统、实时操作包括图形用户界面GUI操作系系统、嵌入式操作系统等,针对统和命令行界面CLI操作系统,不同应用场景具有不同的特点提供不同的交互方式和功能按体系结构分类按开源性分类包括分时操作系统、批处理操包括开源操作系统和专有操作作系统和分布式操作系统,采用系统,前者可以自由修改和二次不同的资源管理策略开发进程管理进程定义1进程是计算机中执行程序的基本单位,是系统资源分配的基本单位它包含程序代码、数据和控制信息进程的状态2进程可以处于就绪、运行、阻塞等不同状态,操作系统负责调度和管理这些进程状态进程创建和终止3操作系统提供创建新进程和终止进程的机制,确保系统有序运行进程的状态转换新建1进程被创建并加入就绪队列就绪2进程准备就绪，等待调度运行3进程获得CPU资源并执行阻塞4进程因I/O操作或事件等待而暂时中止操作系统对进程进行各种状态转换,以合理利用计算资源进程从新建状态进入就绪状态,等待被调度执行运行状态下,进程获得CPU时间片并执行当进程因I/O操作或事件等待而暂时中止时,会进入阻塞状态进程状态的转换是操作系统进程管理的核心进程控制块进程控制块的结构进程控制块的内容进程控制块的生命周期进程控制块包含了描述进程各种状态信进程控制块主要包括进程标识符、处理进程控制块随着进程的创建而建立,并跟息,如进程标识、进程优先级、寄存器状机状态、内存管理信息、资源拥有清单随进程的整个生命周期变化,直至进程结态、内存分配等,为操作系统管理和调度和I/O状态信息等,为操作系统实现进程的束时被销毁,体现了操作系统对进程的全进程提供了必要的信息创建、切换和终止提供基础过程管理进程同步定义重要性同步方式同步问题进程同步是指在多个进程并进程同步是操作系统中的关•互斥进程同步容易引发死锁、饥发执行时，协调它们之间的键机制,确保多个进程可以饿和abort等问题,需要设计•信号量相互制约关系，使各进程可安全、有序地访问共享资合理的同步机制避免这些问•管程以按预定的顺序有条不紊地源,避免数据竞争和死锁等题•消息传递执行问题互斥与临界区互斥临界区竞争条件互斥确保在任一时刻只有一个进程可以临界区是访问共享资源的程序片段进当两个或多个进程同时访问共享资源时,访问共享资源通过加锁保护临界区来程在进入临界区前必须先获得互斥锁可能会产生竞争条件,导致数据不一致实现信号量机制定义P操作和V操作12信号量是一种用于进程同步P操作可以请求使用资源,V的机制,通过对共享资源的访操作可以释放资源这两种问进行控制,以避免死锁和饥操作确保了对共享资源的互饿斥访问初始值设置应用场景34信号量的初始值设置为可用信号量广泛应用于进程同步资源的数量,确保同时只有指和互斥控制,如生产者-消费定数量的进程访问资源者问题、读者-写者问题等死锁死锁的概念死锁的产生条件死锁的检测和预防当两个或多个进程彼此占有所需资死锁产生需要满足四个必要条件:互通过资源分配策略、死锁检测算法源并相互等待对方释放资源时,就会斥、占有和等待、不可剥夺和循环和死锁预防措施可以避免和解决死造成死锁等待锁问题死锁的概念和产生条件死锁的概念死锁产生的必要条件死锁的实例死锁是指两个或多个进程因争夺资源而死锁的产生需要满足四个必要条件:资源比如两个线程分别持有锁A和锁B,但又同造成的一种僵局当进程相互等待对方独占、不可抢占、环路等待以及进程无时等待对方释放锁,就会陷入死锁的困境释放资源时,就会导致死锁的发生限制地持有和等待资源无法继续执行死锁的检测和预防死锁检测死锁预防死锁避免死锁恢复通过构建资源分配图来检测通过破坏死锁产生的四个必动态地检测并避免死锁的发当死锁发生时,通过抢占资死锁的发生如果图中存在要条件之一来预防死锁比生,比如通过银行家算法动源或撤销进程等方法来解除环路,则表示存在死锁还如限制资源数量、使用安全态分配资源,确保系统处于死锁状态,恢复系统正常运可以使用银行家算法来检测序列分配资源、避免进程无安全状态行并避免死锁限等待等方法内存管理内存分配1根据进程需求动态分配内存内存保护2防止进程相互干扰、非法访问内存扩展3实现虚拟内存,扩大可用内存内存管理是操作系统的核心功能之一,它负责分配、保护和扩展内存通过动态分配内存、设置内存保护机制、实现虚拟内存技术等方式,操作系统能够高效管理有限的物理内存资源,满足各种应用程序的内存需求连续分配连续内存块简单实现动态分配连续分配方式将进程所需的内存空间分与分页和分段相比，连续分配的内存管操作系统可以采用动态分配的方式，根配为一个连续的内存块这样可以简化理更加简单直接，操作系统开销小但据进程需求实时分配和回收内存块，提地址转换并提高访问效率会产生外部碎片问题高内存利用率分页系统基本原理页表管理分页系统将物理内存划分为固定大小的页面,将程序分成页面系统通过页表记录每个页面在内存中的位置,当程序访问内存大小的片段存储在内存和硬盘之间这样可以提高内存利用时,操作系统会查找页表找到相应页面率,并支持更大程序的运行分段系统程序划分将程序划分为多个可独立执行的模块，提高内存利用效率地址空间管理将每个程序模块分配到不同的地址空间，实现地址空间的隔离内存保护通过地址空间的隔离，可以防止程序越界访问其他模块的内存虚拟内存内存扩展页面交换虚拟内存通过使用磁盘空间作当物理内存不足时,虚拟内存会为额外的内存来扩展物理内存将部分内存页面交换到磁盘上,的容量以腾出空间按需分配地址映射虚拟内存系统只在需要时才将虚拟内存通过地址映射机制将页面载入物理内存,提高了内存程序看到的虚拟地址转换为物利用效率理地址页面置换算法最近最少使用（）先进先出（）LRU FIFO12根据页面使用的近期历史信淘汰最早进入内存的页面息，淘汰最长时间未使用的实现简单但不能反映程序的页面能够较好地反映程序局部性特征的局部性特征最佳置换（）时钟算法（）OPT Clock34理想情况下，淘汰未来最长类似FIFO，但使用访问位标时间不需要访问的页面但记页面是否最近被访问过，实际很难预测未来页面的访可以一定程度上反映局部性问情况特征文件系统文件概念1文件是计算机系统中存储数据的基本单元,包含文本、图像、音频等各种数据类型文件结构2文件由文件名、文件类型、文件内容和文件属性等部分组成,用于描述和管理文件文件操作3包括创建、打开、读写、关闭、删除等,用于对文件进行各种管理和维护文件的概念与组织文件的概念文件的组织文件属性文件是操作系统中的基本单元,是用文件可以被组织成层次化的目录结文件属性包括文件名、创建时间、于存储数据的逻辑实体文件包含构,方便管理和查找操作系统提供修改时间、访问权限等信息,帮助用了程序代码、文本、图像、音频等了丰富的文件操作命令,用于创建、户更好地管理和了解文件各种类型的数据修改、删除文件目录结构层级结构命名规则路径表示操作权限操作系统中的目录结构形成每个目录和文件都必须遵循通过绝对路径或相对路径可目录结构中的每个目录和文了一个层级式的树形结构,特定的命名规则,包括长以唯一地标识系统中的任何件都拥有特定的访问权限,用于组织和管理文件根目度、字符集和保留字等限一个目录或文件,方便用户决定谁可以对它们进行读录位于最上层,其下分设多制,以确保系统的有序性和快速定位取、写入或执行等操作个子目录可靠性文件访问方式顺序访问随机访问12按照先进先出的顺序从头到可以直接访问文件中的任何尾依次访问文件中的数据位置适用于磁盘等随机存适用于磁带等串行存储设储设备备索引访问直接访问34通过索引表快速定位和访问根据文件名和记录号直接定文件中的特定数据可以提位文件中的特定数据适用高查找效率于关系型数据库文件共享与保护权限管理文件共享安全保护操作系统提供权限管理功能,允许管理员操作系统支持多用户共享文件,用户可以为确保文件安全,操作系统提供加密等安或文件所有者控制对文件的访问权限,如根据需要查看、编辑或拷贝共享文件,提全措施,防止未授权用户访问敏感信息读取、写入和执行高工作效率磁盘管理磁盘分区1将物理磁盘划分为多个逻辑分区文件系统2在分区上创建文件系统，组织文件磁盘挂载3将文件系统挂载到操作系统的目录树磁盘管理4对磁盘的分区、格式化和挂载进行管理磁盘管理是操作系统中一项基本功能系统管理员需要合理划分磁盘分区，在分区上创建文件系统，并将其挂载到操作系统的目录树中这确保了存储空间的有效利用和文件的组织管理同时还需要对磁盘的分区、格式化和挂载进行动态管理外部设备管理设备注册操作系统负责将外部设备注册到系统中,并分配必要的资源设备驱动程序为每个外部设备提供相应的驱动程序,负责设备的初始化和数据传输缓冲区管理操作系统在内存中维护设备数据传输的缓冲区,以确保高效的I/O操作设备分配根据进程的需求,合理分配外部设备资源,防止资源冲突和竞争输入输出系统/通道管理1管理输入输出设备与系统之间的交互设备驱动程序2负责控制和驱动特定的输入输出设备缓冲区管理3临时存储输入输出数据以提高传输效率异步操作4允许CPU和输入输出设备并行工作输入输出系统是操作系统的重要组成部分,负责管理各种输入输出设备与系统之间的交互它提供了设备驱动程序、缓冲区管理和异步操作等功能,确保输入输出操作的高效和可靠性中断机制中断触发器中断向量上下文切换当外围设备需要CPU服务时,会触发中断中断向量是一个存储了中断处理程序入在处理中断时,需要保存当前进程的执行请求,通过中断触发器将中断信号传给口地址的数据结构,用于定位中断处理程现场,并在中断返回时恢复现场这就是CPU序上下文切换设备驱动程序桥接硬件与软件统一设备管理12设备驱动程序作为链接操作驱动程序为操作系统提供了系统和外围设备的桥梁,在系一个统一的设备管理接口,简统内部和外部设备之间传递化了操作系统对各种外设的信息和控制指令管理硬件设备隔离设备性能优化34驱动程序将硬件设备的复杂优秀的驱动程序能够最大化性隔离于操作系统之外,使系发挥硬件设备的性能,提高整统开发者能够专注于软件设个系统的运行效率计课件总结知识回顾重点难点本课程涵盖了操作系统的基本进程同步、死锁处理、虚拟内概念、发展历程、功能特点以存等是学习中的关键和难点,需及进程管理、内存管理、文件要重点掌握系统等核心内容实践应用未来发展操作系统知识不仅重要于理论随着计算机技术的不断发展,操学习,也需要结合实际案例加以作系统也将呈现新的特点和趋应用和实践势,需要对此保持关注。