《操作系统ch》课件

操作系统概述操作系统是计算机系统的核心软件负责管理计算机硬件资源并为应用程序提供,服务它是连接用户、应用程序和计算机硬件之间的关键平台课程目标理解操作系统的基本概学习进程和线程管理12念掌握进程和线程的概念熟悉进,掌握操作系统的定义、功能和程状态及转换学习常见的进程,分类了解其发展历史同步机制,掌握内存管理的基本原了解文件管理和输入输34理出管理了解内存层次结构学习常见的掌握文件系统结构、目录管理,内存分配管理方式和访问控制学习设备的管,I/O理机制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历程操作系统是管理计算机硬件和软件资源的基操作系统的主要功能包括任务管理、内存管从早期的批处理系统到当代的分时系统、实础软件为计算机用户提供一个友好的交互理、文件管理、设备管理和安全控制等时系统和分布式系统操作系统不断发展和,,界面完善什么是操作系统系统软件的核心多任务处理用户接口资源管理操作系统是计算机系统的核心操作系统能够在同一时间执行操作系统为用户提供图形用户操作系统负责管理计算机的各软件负责管理硬件资源并为多个任务提高了计算机的工界面或命令行接口使得人机种资源如内存、处理器、存,,,,应用程序提供服务它是连接作效率和资源利用率交互变得更加友好和直观储设备和输入输出设备/硬件和软件的桥梁操作系统的功能资源管理用户接口合理分配和调度各种硬件和软件为用户提供友好直观的操作界面,资源提高系统的整体利用率增强人机交互体验,文件管理安全保护组织和管理文件系统为应用程序提供多种安全机制确保系统数据,,提供文件访问接口和资源的安全性操作系统的分类和发展历程操作系统分类1根据系统架构和应用领域，操作系统主要分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统和个人计算机操作系统等单任务单用户2最早的操作系统只能处理一项任务并且仅供单一用户使用如,,操作系统DOS多任务多用户3随着技术的发展操作系统能同时处理多项任务并支持多个用户,,同时使用如和操作系统,UNIX Windows操作系统的分类桌面操作系统服务器操作系统移动设备操作系统实时操作系统主要为个人电脑和笔记本提供专门为企业级服务器提供高性为智能手机、平板电脑等移动主要用于对实时性有严格要求图形用户界面和基本应用程序能、可靠性和安全性支持代终端提供触控交互和应用程序的嵌入式系统如机械设备、军,支持代表如和表如和管理代表如和事装备等Windows LinuxUnix AndroidiOSmacOS操作系统的发展历程早期最初的计算机操作系统采用了批处理方式操作需要手动完成并且资源利用效,率较低分时系统年代分时系统的出现使得多个用户可以并行使用计算机提高了资源利用1960,,率个人电脑时代年代个人电脑的普及带来了桌面操作系统的发展如和1970,,DOS Windows现代操作系统年代以来系统演化出和移动设备操作系统如和1990,Unix LinuxMacOS,Android也相继问世iOS进程管理操作系统中进程管理是一个核心功能涉及进程的创建、调度、同步等了解进,程管理的基础概念和机制能够更好地理解操作系统的工作原理,进程的概念进程的定义进程是操作系统中的基本单元是程序在执行过程中的一次执行实例具有独立的地址空间、资源和状态,,进程的特征进程具有动态性、并发性和独立性等特点可以由用户程序、操作系统程序或其他进程启动,进程的作用进程是操作系统资源分配的基本单位负责程序的执行、管理内存、调度等关键功能,CPU进程状态及转换新建状态就绪状态12进程刚被创建准备执行等待进程已获得所需资源等待,,CPU分配资源分配运行状态阻塞状态34进程正在上执行占用进程因等待某事件而暂时无法CPU,CPU资源运行进程同步机制互斥机制同步机制确保同一时刻只有一个进程可以帮助进程按预期顺序执行完成协,访问共享资源避免数据竞争常作任务典型方法有条件变量、,用技术包括锁、信号量等管程等死锁问题多个进程相互等待资源造成的僵局需要采取预防、规避、检测和解除等措施线程管理操作系统中线程的管理是一个重要的组成部分线程是进程的基本执行单元其,管理涉及线程的创建、调度、同步与通信等多个方面本节将深入探讨线程相关的核心概念和实现机制线程的概念单线程与多线程线程特点单线程程序一次只能执行一个任务而多线程程序能够同时执行多线程是进程中的一个执行单元它共享进程的资源包括内存和,,,I/O个任务提高了程序的并行性和响应速度设备线程的创建和切换开销较小比进程更加轻量级,,线程与进程的关系进程和线程的区别单线程和多线程线程的生命周期进程是操作系统资源分配的基本单位而线单线程程序一次只能执行一个任务而多线线程有新建、就绪、运行、阻塞和终止等状,,程是调度的基本单位进程拥有独立的程程序能够同时执行多个任务提高了利态在这些状态之间进行转换与进程管理密CPU,CPU,,地址空间而线程共享进程的地址空间用率和程序的响应速度切相关,多线程编程资源共享任务分解12多线程可以有效利用系统资源将任务拆分为多个子任务以不,,提高程序的并发性和响应速度同的线程分别执行提高整体效,率阻塞减少响应性提高34当一个线程阻塞时其他线程可多线程可以提高程序的响应性,,以继续执行避免程序整体阻塞让用户获得更好的交互体验,内存管理操作系统负责管理计算机系统中内存资源的分配和使用有效的内存管理是操作系统的核心功能之一，能够确保程序的正常运行并提高系统性能内存层次结构主存储器高速缓存辅助存储器主存储器是直接访问的内高速缓存是位于和主存之辅助存储器如硬盘和光驱容CPU CPU,,存用于存储程序代码和数据间的小型高速存储器用于暂量大但访问速度慢它们用于,,它具有高速读写能力但容时存储常用的数据和指令可长期存储程序和数据并在需,,,量有限且成本高昂大幅提高访问速度要时传输到主存连续分配管理连续分配方式动态分区管理将内存划分为多个固定大小的块内存被划分为可变大小的分区根,,每个进程占用一个或多个连续的据进程需求动态分配内存可以内存块简单易实现但存在内部减少内部碎片但需要复杂的管理,,碎片问题算法伙伴系统内存被划分为的幂次方大小的块通过合并和拆分块的方式满足进程需求2,实现简单高效常用于等操作系统,Linux分页和分段管理分页管理将内存划分为固定大小的页框，进程使用时按页进行调度和管理可提高内存利用率和访问效率分段管理将内存划分为可变大小的段，每个段包含一个逻辑地址空间可提高地址空间的灵活性分页分段结合操作系统可以结合两种方式既有页的固定大小又有段的可变大小提高内存管理的灵活性,,,文件管理操作系统提供了强大的文件管理功能用户可以方便地创建、读取、修改和删除,文件通过文件系统结构、目录管理和访问控制等技术操作系统确保文件的安,全性和有效性文件系统结构层级目录结构文件元数据物理存储结构文件系统采用树状的层级目录结构文件和文件系统会记录文件的元数据信息如文件底层的文件系统会将物理存储空间划分为分,,目录组织在根目录及其子目录中这种结构名、大小、创建修改时间、所有者等以便区和扇区并将文件数据和元数据有序地存/,,便于管理、搜索和访问各种文件快速管理和查找文件储其中目录管理目录结构目录操作目录权限搜索功能操作系统提供分层次的目录结用户可以通过创建、删除、重操作系统可以为目录设置访问高级的目录管理还提供搜索功构让用户可以更有效地组织命名、遍历等操作来管理目录权限以控制不同用户对目录能让用户可以根据文件名、,,,和管理文件目录可以包含文这些基本功能帮助用户轻松的操作权限提高文件系统的内容等快速定位所需文件提,,件和子目录形成树状的文件地组织和查找所需的文件安全性高工作效率,系统层次文件访问控制用户访问权限安全性控制权限设置灵活性操作系统通过设置文件和目录的读、写、执文件访问控制确保只有被授权的用户才能访现代操作系统提供了复杂的权限设置机制,行等权限控制用户对文件的访问不同用问特定的文件或目录提高了整个系统的安可以根据需要灵活地为不同用户分配不同的,,户可以拥有不同的权限全性访问权限输入输出管理操作系统负责管理计算机系统的输入输出设备确保数据能够可靠、高效地在主,机和外围设备之间进行传输设备的种类I/O键盘鼠标最常见的输入设备之一用户通过键盘通过移动和点击来控制屏幕上的光标,,输入文本、命令和数据进行交互操作扫描仪打印机将纸质文档、图像等转换成数字格式负责将数字信息转换为纸质输出是常,,实现数据输入见的输出设备缓冲管理I/O缓存机制双缓冲策略12操作系统使用缓存来提高操操作系统为每个设备维护两I/O I/O作的效率减少磁盘的频繁访问个缓冲区实现数据交替读写,,缓冲区管理异步I/O34操作系统动态管理缓冲区的分操作系统支持异步提高系I/O,配和回收提高内存利用率统吞吐量增强响应能力,,设备驱动程序I/O设备管理器设备驱动程序操作系统内置的设备管理器可以设备驱动程序是操作系统与设I/O识别和管理系统上的各种设备备之间的桥梁提供标准的接口使I/O,,,为它们加载合适的驱动程序上层应用能够与设备进行交互动态加载现代操作系统支持动态加载设备驱动程序当检测到新设备时会自动寻找并,加载合适的驱动程序安全管理操作系统的安全管理是确保系统资源安全、防范潜在威胁的重要措施包括进程和内存保护、文件系统安全和网络安全等方面进程和内存保护进程隔离内存保护安全机制操作系统通过进程间隔离机制确保每个进操作系统采用页表和访问权限等机制对进操作系统还提供各种安全机制如身份验证,,,程只能访问自己的内存空间避免相互干扰程的内存访问进行管理和控制防止非法访、访问控制等以确保系统和数据的安全性,,,问文件系统安全访问控制加密保护通过设置文件和目录的访问权限对敏感文件进行加密防止未经授,,确保只有授权用户可以访问相关权的访问和泄露数据备份与恢复日志记录定期备份数据以应对系统故障或记录文件访问行为用于监控和审,,恶意攻击造成的文件丢失计及时发现异常情况,网络安全网络攻击防御数据加密保护身份认证控制安全审计监控通过部署防火墙、入侵检测系利用加密技术确保传输和存储实施严格的用户身份认证和权定期监控系统活动发现和追,统和加密等措施来保护网络免数据的机密性防止敏感信息限控制限制对系统和资源的查可疑行为及时应对各种网,,,遭黑客攻击和病毒侵害被非法访问非法访问络安全隐患操作系统案例分析通过分析主流操作系统的特点和应用场景深入了解操作系统的设计与实现,操作系统Windows桌面与用户体验强大的软件生态12操作系统提供直观的平台拥有丰富的软件Windows Windows图形用户界面让用户可以轻松应用满足用户从日常办公到游,,操作电脑戏娱乐的各种需求安全性与稳定性跨设备同步34系统具有可靠的系统兼容性强可与笔记本Windows Windows,安全性能并持续优化以提高软、平板、手机等多种设备无缝,件运行的稳定性协作操作系统Linux稳定高效的内核丰富的发行版选择灵活的命令行工具操作系统拥有高度模块化和可定制的有众多优秀的发行版如、提供了强大的命令行界面让用户可以Linux Linux,Ubuntu Linux,内核在系统稳定性和资源利用率方面表现和为用户提供了多样化的高效地执行各种系统管理和开发任务,Fedora CentOS,出色选择操作系统Android用户友好的界面丰富的设备生态注重安全性操作系统以其直观清晰的图形界面操作系统支持多种硬件设备为用操作系统在不断完善安全机制提Android Android,Android,和丰富的移动应用程序闻名为用户提供了户提供了广泛的选择同时也带来了一定的高用户数据保护能力以满足现代移动互联,,,简单高效的交互体验碎片化挑战网环境下的安全需求课程总结我们回顾了操作系统的概念、功能和发展历程深入探讨了进程管理、内存管理、文件管理和管理等关键概念最后分析了、和等主I/O WindowsLinux Android流操作系统希望通过本课程的学习同学们能够全面理解操作系统的原理和应,用重点回顾操作系统的定义和功能进程和线程的概念12回顾了操作系统作为软件系统的角色及其主要功能包括进程回顾了进程和线程的概念以及它们之间的关系和差异,,管理、内存管理、文件管理和管理等I/O内存管理技术文件管理和管理I/O34回顾了连续分配、分页和分段等内存管理的基本原理和策略回顾了文件系统结构、目录管理、访问控制以及设备管I/O理的核心概念思考与展望未来发展方向关注重点随着计算技术的不断进步操作系统将在智能化、安全性、跨平台操作系统的安全性和隐私保护将是首要关注点同时系统资源管,,兼容等方面不断突破未来我们将看到操作系统更加智能化能够理、能源效率、移动终端适配性等也将成为重要发展方向,自主学习和优化系统性能。