现代操作系统课件

现代操作系统现代操作系统是计算机系统的重要组成部分它管理硬件资源，为应用程序提供运行环境操作系统概述计算机系统核心提供用户接口资源管理应用程序运行环境操作系统是计算机系统的核心操作系统为用户提供一个易于操作系统负责管理计算机的硬操作系统为应用程序提供运行软件，负责管理计算机系统的使用的接口，方便用户操作计件资源，例如、内存、硬环境，并保证应用程序正常运CPU所有资源算机盘、网络等行操作系统的功能管理计算机硬件提供用户接口操作系统负责管理计算机硬件，例如、内存、磁盘和网络设操作系统提供用户界面，使用户能够与计算机进行交互CPU备用户界面可以是图形界面（）或命令行界面（）GUI CLI它为应用程序提供访问硬件资源的接口，并确保资源的有效利用操作系统的发展历程早期操作系统120世纪50年代出现批处理操作系统，提高了计算机利用率例如，通用自动程序控制系统（UNIVAC）和通用业务自动化系统（IBM704）分时操作系统220世纪60年代出现了分时操作系统，如CTSS和Multics，允许多个用户同时使用一台计算机现代操作系统320世纪70年代至80年代，Unix和Windows等现代操作系统应运而生，提供了图形界面、多任务处理和网络功能云计算操作系统421世纪，云计算技术的发展推动了云操作系统（例如，Google ChromeOS和Amazon WebServices）的出现，它们基于云计算模型提供服务操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统单用户操作系统早期的操作系统类型，通常用允许多个用户同时使用一台计主要用于工业控制、嵌入式系主要用于个人电脑，通常为单于大型机和服务器，以批次方算机，并共享系统资源，例如统和实时应用，要求系统快速个用户提供桌面环境和应用软式执行作业主要用于数据处、内存和外设使用时间响应外部事件，并及时处理数件，例如、CPU WindowsmacOS理和科学计算片轮转调度算法来实现多用户据，通常用于需要实时控制和和Linux共享高可靠性的场景操作系统的结构操作系统结构是指操作系统各个组件的组织方式，决定了系统资源管理和调度策略的效率常见的结构包括分层式结构、微内核结构、模块化结构和面向对象结构分层式结构将操作系统划分为若干层级，每层只与相邻层交互，便于理解和维护微内核结构将核心功能简化为最小集，其他功能由运行在用户空间的模块实现，灵活性高模块化结构将操作系统划分为独立模块，方便维护和扩展面向对象结构将操作系统设计为一系列对象，每个对象封装了数据和操作，提高了代码重用性和可维护性进程管理进程定义进程管理功能进程是程序的一次执行过程，是进程管理负责创建、终止、调度操作系统分配资源的基本单位和同步进程，确保系统资源的有效利用进程状态进程在运行过程中会经历不同的状态，包括运行、就绪、阻塞和终止等进程的描述及状态转换创建进程创建后，操作系统为其分配必要的资源，如内存空间、进程控制块等，并将其置于“就绪”状态，等待被调度执行就绪进程处于就绪状态，意味着它已经准备好了执行，但由于没有获得CPU，它暂时无法执行运行进程获得CPU后，便进入运行状态，开始执行其代码阻塞进程在等待某个事件发生，例如I/O操作完成或其他资源可用，此时进程会进入阻塞状态终止当进程执行完毕或出现异常情况，进程将被终止，并释放其占用的资源进程的调度进程调度概述目标

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22.进程调度是操作系统管理多个目标是最大限度地提高CPU进程的关键机制，它决定了哪利用率，最小化平均等待时间个进程获得时间片，并和响应时间，并确保公平性CPU分配资源调度算法实现

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44.常见的调度算法包括先到先服操作系统使用调度程序来选择务、最短作业优先、优先级调和运行进程，调度程序会根据度、轮转调度等算法选择下一个要执行的进程进程同步与互斥信号量互斥锁条件变量管程信号量是进程间通信的一种机互斥锁是一种同步机制，用于条件变量是用于实现进程间通管程是一种高级的同步机制，制，用于协调多个进程对共享确保在任何时候只有一个进程信的同步机制，允许线程等待它将共享资源及其访问方法封资源的访问可以访问共享资源特定条件的发生装在一个抽象数据类型中，确保同步的正确性内存管理虚拟内存内存分配策略

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22.虚拟内存是利用硬盘空间来扩内存分配策略是指如何将内存展内存容量，从而允许运行更分配给不同的程序，常用的策大的程序，并提高系统效率略有首次适应算法、最佳适应算法、最差适应算法页面置换算法内存保护

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44.页面置换算法是在虚拟内存系内存保护是为了防止程序访问统中，当内存空间不足时，需其他程序的内存空间，常见的要将部分页面换出到磁盘上，保护机制包括地址空间隔离常用的页面置换算法包括、内存访问权限控制、、FIFO LRUOPT内存分配策略首次适应算法最佳适应算法最差适应算法伙伴系统算法首次适应算法从内存的开始位最佳适应算法从内存的开始位最差适应算法选择最大的空闲伙伴系统算法将内存划分为大置开始查找，找到第一个足够置查找，找到最适合的空闲分分区分配给进程可能会导致小为的幂次方的分区，并采2大的空闲分区分配给进程简区分配给进程可以减少内存内存碎片化，但可以为大型进用二叉树管理空闲分区可以单易懂，但可能会导致内存碎碎片化，但搜索时间较长程分配更大空间有效减少内存碎片化，但对内片化存大小有限制虚拟内存虚拟内存概念虚拟地址空间虚拟内存是一种内存管理技术，它允许程序使用比物理内存更大操作系统为每个进程创建了一个虚拟地址空间，它是一个逻辑地的地址空间址空间，与物理地址空间不同虚拟内存利用磁盘空间作为额外的内存，将程序代码和数据分成虚拟地址空间中的地址称为虚拟地址，这些地址被映射到物理地页面，并将这些页面存储在磁盘上址空间中的物理地址页面置换算法FIFO LRU先进先出算法，最早进入内存的最近最少使用算法，最近使用过页面被最先替换简单易行，但的页面被保留，最久未使用的页容易出现现象面被替换性能较好，但需要额Belady外的空间记录页面使用信息OPT CLOCK最佳页面置换算法，选择未来最时钟算法，通过循环访问页面，长时间内不会被访问的页面进行并使用一个位标记页面是否被访替换理论上最优，但无法实现问，选择最久未被访问的页面进，仅用于比较其他算法行替换性能接近，实现相LRU对简单设备管理硬件管理资源分配设备管理负责管理计算机系统中当多个进程或用户需要使用同一的所有硬件设备，包括、内设备时，设备管理需要负责分配CPU存、磁盘、打印机、键盘等资源，防止冲突设备驱动程序设备独立性设备驱动程序是操作系统与硬件设备独立性是指应用程序不需要设备之间沟通的桥梁，负责控制关心具体使用的设备类型，只需硬件设备的工作要通过统一的接口访问设备磁盘管理磁盘驱动器磁盘分区文件系统磁盘读写操作磁盘驱动器是计算机系统的核磁盘分区将磁盘划分为多个逻文件系统提供了一种结构化的操作系统负责管理磁盘的读写心组件，负责存储和检索数据辑单元，以便更有效地组织和方式来组织和访问磁盘上的数操作，确保数据安全可靠地存管理数据据储和访问文件管理文件组织与访问数据安全与完整性文件系统管理所有文件，让用户轻松找到文件系统负责保护文件免受意外删除或损、访问和管理数据它使用目录结构来组坏，并提供访问控制机制，确保数据安全织文件，并提供各种操作，例如创建、删它还管理文件备份和恢复机制，以防止除、修改和复制文件数据丢失文件存储结构线性结构树形结构图状结构文件是一个连续的线性空间，每个文件占据文件是一个树状结构，每个文件可以有子文文件是一个图结构，每个文件可以指向其他一个连续的磁盘块件，并且可以以层次化的方式进行组织文件，并且可以以非层次化的方式进行组织文件系统文件组织方式文件访问控制

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22.文件系统将文件组织成树状结构，方便用户管理和访问它提供访问权限控制，保护文件免受未经授权的访问数据存储管理文件操作支持

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44.文件系统负责管理磁盘空间，为文件分配和释放存储空间它提供各种文件操作，例如创建、删除、读取、写入和重命名输入输出管理设备控制I/O I/O输入输出设备用于与外部世界交操作系统管理设备，包括分/I/O互，包括键盘、鼠标、显示器、配、控制和协调它们，确保高效硬盘等使用驱动程序缓冲I/O I/O驱动程序是软件，它们提供了特缓冲区用于临时存储数据，以便定设备的接口，使操作系统能够在速度不匹配的设备之间进行传控制它们输中断机制中断类型•硬件中断•软件中断•异常中断处理流程中断处理程序执行，保护现场，处理中断，恢复现场，返回主程序中断向量表存储中断处理程序的地址，用于快速定位处理程序系统调用用户态与内核态权限转换

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22.系统调用是用户程序与内核之用户程序通过系统调用进入内间通信的桥梁核态执行特定操作安全保障丰富功能

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44.系统调用提供了一层安全机制系统调用提供了一系列操作系，防止用户程序直接访问内核统的核心功能，如文件管理、资源进程管理等保护与安全访问控制安全机制操作系统实现访问控制，保护系统资源免加密、数字签名、防火墙、入侵检测系统受非法访问用户身份验证，权限管理和等安全机制保障系统数据完整性和机密性访问控制列表确保数据和系统安全操作系统提供安全机制，防止恶意软件攻击和数据泄露操作系统的性能评估操作系统的性能评估对于了解系统运行效率和稳定性至关重要通过评估，我们可以识别瓶颈，优化资源分配，提高系统性能510指标方法响应时间、吞吐量、资源利用率基准测试、性能分析工具1520工具评估性能计数器、跟踪工具、分析软件系统性能、资源利用、可靠性操作系统的发展趋势云计算移动操作系统人工智能安全与隐私云计算技术逐渐普及，操作系移动设备的普及推动了移动操人工智能技术与操作系统相结安全和隐私成为未来操作系统统向云环境迁移，虚拟化技术作系统的快速发展，其特点是合，带来更智能的操作系统，的关键关注点，操作系统需要和资源池管理成为核心轻量级、高效，支持多任务处例如自动任务调度、智能资源提供更强大的安全机制和隐私理和移动互联网分配和个性化服务保护功能单处理器操作系统单处理器操作系统定义优点缺点单处理器操作系统是指在一个系统中只成本较低处理能力有限••有一个中央处理器的操作系统它只能相对简单易于维护无法充分利用多核处理器的性能••在同一时间执行一个任务适合对性能要求不高的应用•多处理器操作系统共享资源并行处理通信机制数据一致性多个处理器共享相同的内存和多个处理器同时执行不同的任处理器之间需要相互通信协调确保多个处理器对共享数据的外设，提高资源利用率务，提高系统性能，以确保系统正常运行访问一致，防止数据冲突实时操作系统航空航天工业自动化医疗设备实时操作系统在航空航天领域至关重要，控实时操作系统在工业自动化中广泛应用，例实时操作系统是医疗设备的关键组成部分，制飞机飞行和导航系统如控制生产线、机器人和传感器例如心电图仪、呼吸机和手术机器人分布式操作系统资源共享可靠性分布式操作系统允许在不同计算通过将系统分布在多个计算机上机之间共享硬件和软件资源，例，分布式操作系统可以提高容错如磁盘存储空间、打印机和应用性和可靠性，即使其中一台计算程序机出现故障，系统也可以继续运行可扩展性高性能分布式操作系统可以轻松地扩展通过将任务分配给多个计算机，到处理更多用户和数据，从而满分布式操作系统可以提高系统性足不断增长的需求能，并加速计算过程移动操作系统移动设备优化应用生态系统位置服务安全性移动操作系统针对移动设备进移动操作系统拥有丰富的应用移动操作系统集成位置服务，移动操作系统提供安全机制，行优化，包括低功耗、触摸屏程序商店，提供各种应用程序支持地图导航、位置共享和基保护用户数据和设备免受恶意交互和移动网络连接等特性供用户下载和使用于位置的应用软件和攻击云计算操作系统虚拟化技术资源池化服务交付模式云计算操作系统提供虚拟化技术，例如虚拟云计算操作系统将硬件资源池化，如计算、云计算操作系统支持多种服务交付模式，例机和容器，使资源能够高效地分配和管理存储和网络，以实现资源共享和按需分配如基础设施即服务（）、平台即服务IaaS（）和软件即服务（）PaaS SaaS。