《操作系统例题》课件

《操作系统例题》操作系统是计算机系统的核心掌握其基本原理和解决问题的方法非常重要本,课件通过一系列典型例题帮助您深入理解操作系统的关键概念和实际应用,课程简介课程内容本课程将全面介绍操作系统的基本概念和原理涵盖系统结构、进程管理、内存管理、文件管,理等关键模块学习目标通过本课程的学习学生可以深入理解操作系统的工作机制并掌握相关问题的分析和解决方法,,考核方式课程采用理论考试和实践考核相结合的方式考核学生对操作系统知识的理解和应用能力,计算机系统结构计算机系统由硬件和软件两大部分组成硬件包括中央处理器、内存、输入输出设备等软件包括操作系统、编程语言、应用程序等它们协同工作共同完成各种计算任务,操作系统作为计算机系统的核心负责管理和调度硬件资源为上层,,应用程序提供服务接口它是连接硬件和软件的桥梁是计算机系,统的关键组成部分操作系统概述定义功能类型发展操作系统是管理和控制计算机主要包括进程管理、内存管理大型机操作系统、服务器操作从早期的批处理系统到现代的硬件和软件资源的系统软件、设备管理、文件管理和安全系统、个人计算机操作系统和图形用户界面操作系统不断,它为用户和其他软件提供接口保护等确保计算机系统的有嵌入式操作系统等满足不同进化以适应技术的发展和服务序高效运行规模和需求进程管理进程创建1通过父进程创建子进程进程切换2操作系统调度进程的切换进程终止3进程完成任务后正常退出进程管理是操作系统的核心功能之一它负责进程的创建、切换和终止确保多个进程之间的协调运行操作系统会根据进程的优先级和资,源需求来调度和管理这些进程保证系统的稳定和高效,进程同步互斥机制通过锁定共享资源确保同一时间只有一个进程可以访问和修改数据,信号量Semaphore使用整数变量控制对共享资源的访问多个进程可以通过申请和释放信号量进行同步,条件变量进程可以等待某个条件成立并在条件成立时被唤醒从而避免忙等,,进程调度先来先服务1按照进程到达系统的时间顺序进行调度简单易实现，但可能导致短作业等待过长短作业优先2优先执行估计运行时间最短的进程可以减少平均等待时间，但可能导致长作业饥饿优先级调度3根据进程的优先级进行调度优先级可以由系统分配或由用户指定能兼顾长短作业的需求内存管理内存分配1操作系统为进程分配内存空间并管理内存保护2防止进程访问其他进程的内存区域内存分页3将内存划分为固定大小的页面进行管理内存置换4根据页面置换算法将内存中的页面交换操作系统的内存管理是确保计算机系统稳定运行的关键它负责为进程分配内存空间、保护进程的内存安全、实现内存的分页管理以及页面的置换等功能内存管理涉及各种算法和策略是操作系统核心部分之一,虚拟内存内存空间扩展按需调入12虚拟内存通过使用磁盘存储空进程只需将所需的页面调入内间作为扩展内存大幅扩展了可存而无需全部加载提高内存,,,用内存空间利用效率页面置换算法硬件支持34当内存不足时操作系统使用页的内存管理单元,CPU MMU面置换算法决定哪些页面换出负责将虚拟地址转换为物理地以释放空间址磁盘管理数据存储与访问性能优化I/O磁盘是操作系统用于长期存储数操作系统会根据应用需求优化磁,据的主要设备磁盘管理包括磁盘的性能如缓存管理、磁盘I/O,盘分区、文件系统管理、磁盘分调度算法、预读机制等配和访问等核心功能容错与可靠性操作系统提供磁盘容错机制如技术确保数据的可靠性和完整性同,RAID,时也支持在线扩容等功能文件管理文件结构文件复制和操作文件访问权限操作系统采用层次化的文件目录结构允许用户可以方便地复制、移动、删除和重命名操作系统支持设置文件的读、写和执行权限,用户创建和管理各种类型的文件这种结构文件操作系统提供了图形界面和命令行两以控制不同用户对文件的访问这有助于,提高了文件的组织性和访问效率种方式来处理文件保护敏感信息的安全性设备管理设备的分类设备驱动程序设备管理功能设备缓存管理操作系统管理各种输入输出设设备驱动程序是操作系统与设设备管理包括设备分配、设备为提高效率操作系统会在I/O,备如键盘、鼠标、显示器、备之间的接口负责控制设备的物理管理、设备的逻辑管理内存中为设备维护缓存区管,,,打印机等设备可分为阻塞设的读写、中断处理等功能、设备的中断处理等理数据在缓存和设备之间的流备和非阻塞设备动操作系统安全访问控制身份验证操作系统需要有效的访问控制机通过密码、生物识别等方式对用制确保只有授权用户才能访问和户身份进行严格验证防止非法登,,修改系统资源录加密与数据保护安全审计使用加密技术保护敏感数据防止记录和审计系统访问行为发现和,,被窃取或篡改确保系统安全预防潜在的安全隐患,死锁概述什么是死锁？死锁的必要条件12死锁是指两个或多个进程因争死锁发生需要满足个必要条4夺系统资源而无法继续执行的件互斥、占有和等待、不可剥:情况它们相互等待对方释放夺和循环等待只要其中一个资源，但又不能主动放弃自己条件不满足死锁就不会发生,占有的资源死锁的危害3死锁会导致系统资源浪费进程无法继续执行严重影响系统性能和可靠,,性因此防范和解决死锁问题非常重要死锁检测与预防死锁检测1周期性的扫描资源分配图检查是否存在循环等待资源分配图分析2使用图算法分析资源分配情况以发现潜在的死锁死锁预防3通过合理设置资源分配规则来避免死锁发生死锁检测通过周期性地分析系统资源分配状况来发现是否存在死锁如发现死锁隐患可采取适当的死锁预防措施如限制同时申请多个资,,源、设置资源申请顺序等从而避免死锁的发生,线程概述线程基本概念并发执行线程是操作系统中的基本执行单元是多个线程可以并发执行提高了系统的,,调度和分派的基本单位每个线并行处理能力增加的利用率CPU,CPU程都有自己的执行栈和寄存器状态资源共享轻量级线程可以共享进程的资源如内存空间线程的创建和切换比进程更加轻量和,、打开的文件等从而可以有效利用系高效开销较小,,统资源线程同步信号量1信号量是一种常用的线程同步机制用于控制多个线程对共享资,源的访问互斥锁2互斥锁可确保同一时间只有一个线程能访问临界区资源避免数,据竞争条件变量3条件变量允许线程等待特定条件的满足并在条件满足时被唤醒,继续执行线程调度时间片轮转将时间划分为固定时间片按循环方式分配给就绪队列中的线程CPU,优先级调度根据每个线程的优先级动态调整调度顺序优先执行优先级最高的就绪线程,响应时间最短优先优先调度即将完成的线程以获得更好的交互响应,公平调度确保每个线程都能获得公平的执行时间防止线程饥饿,内核线程和用户线程内核线程用户线程转换和调度内核线程在操作系统内核中运行可以直接用户线程在应用程序中运行受到更多限制内核线程和用户线程可以互相转换和调度,,,访问底层硬件资源它们具有更高的权限和它们通过系统调用访问内核资源具有更以充分利用系统资源并提高整体性能这需,性能但也更加复杂和容易出错好的可靠性和灵活性要操作系统提供灵活的调度机制,处理机调度策略公平性响应时间吞吐量资源利用率调度策略应确保每个进程都能对于交互式任务调度策略应对于批处理任务调度策略应调度策略应充分利用系统的,,获得公平的处理机使用时间，尽量缩短响应时间提高用户追求最大化系统的吞吐量提、内存等资源避免资源,,CPU,避免某些进程长期得不到处理体验高整体运行效率闲置浪费实时操作系统快速响应嵌入式应用可预测性实时操作系统能够快速响应外部事件以确实时操作系统广泛应用于工业控制、航空航实时操作系统具有可预测的响应时间能够,,保关键任务在严格的时限内得到及时处理天、医疗设备等对实时性要求严格的嵌入式确保关键任务在预定的时间内得到处理系统操作系统发展趋势移动化智能化12随着移动设备的普及操作系统人工智能技术的发展将使操作,需要适应更小的屏幕和触摸交系统具有更智能的交互和决策互移动操作系统将继续成为能力提高用户体验,主流安全性提升跨设备融合34随着网络攻击的增加操作系统操作系统将实现跨设备的深度,需要加强安全防护确保用户数整合提供无缝的用户体验和数,,据和系统的安全性据共享操作系统的性能评价99%3K可用性IOPS系统正常运行时间占总时间的百分比每秒钟系统的操作次数I/O20%100M利用率吞吐量CPU在特定时间内的工作负荷系统每秒能处理的数据量大小CPU操作系统的性能评价是衡量其功能是否有效、稳定可靠的重要指标主要从可用性、响应速度、资源利用率等方面进行评估通过监控关键性能指标可以分析,操作系统的瓶颈并优化系统运行作业调度算法先来先服务1按照任务到达的先后顺序进行调度短作业优先2优先调度预计执行时间较短的任务最短剩余时间优先3优先调度预计剩余时间最短的任务高响应比优先4根据任务的预期运行时间和剩余等待时间进行调度作业调度算法是操作系统中非常重要的一环直接影响系统的整体性能不同的算法根据特定的目标和约束进行优化如最大化吞吐量、最小化响应,,时间等合理选择调度算法对提高系统效率至关重要页面置换算法最佳算法1根据未来引用模式选择页面先进先出算法2替换最早进入内存的页面最近最少使用算法3替换最长时间未被访问的页面时钟算法4通过访问位近近期未使用的页面页面置换算法是虚拟内存管理的核心机制之一它根据一定的策略选择将哪些页面调入或调出内存常见的算法包括最佳算法、先进先出算法、最近最少使用算法和时钟算法等，每种算法都有自己的优缺点合理选择页面置换算法对于提高虚拟内存的性能至关重要缓存管理提高访问速度缓存策略优化层次化缓存缓存通过存储常用数据大幅降低包括缓存容量管理、替换算法、写策略多级缓存架构将数据从高速到低速依,CPU,与主存的交互显著提升系统的响应速等合理设计可有效利用有限的缓存空次缓存实现不同层次的性能和成本平,,,度和吞吐量间衡磁盘调度算法先来先服务FCFS按照请求到达的先后顺序进行服务简单易实现但效率低,最短寻道时间优先SSTF选择当前最短寻道距离的请求能较好地平衡寻道开销,电梯算法SCAN磁头从一端扫描到另一端并在反向时再次服务请求减少总寻道开销,,循环扫描C-SCAN磁头只在一个方向上扫描提高了响应时间的公平性,文件系统设计层次结构访问控制文件系统采用目录树结构以层次化的通过权限管理确保不同用户对文件有,,方式管理各种类型的文件适当的读写权限元数据管理空间分配文件系统保存文件的各种属性信息如采用合理的文件存储策略高效利用磁,,创建时间、修改时间、所有者等盘空间并提高访问速度设备驱动程序驱动程序概念驱动程序与操作系统设备抽象层驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口驱动程序必须与操作系统内核紧密集成以驱动程序提供了一个设备抽象层隐藏了设,,负责处理设备与操作系统之间的通信和控实现对硬件设备的高效管理备的硬件细节为上层应用程序提供统一的,,制接口保护和安全机制访问控制数据加密通过访问控制机制，操作系统可采用加密技术可以确保系统数据以有效限制和管理用户对系统资的机密性和完整性，提高系统的源的访问权限安全性审计和日志安全策略系统会记录重要的操作活动，以操作系统应制定全面的安全策略,便追踪责任和检查安全问题并确保其得到有效实施课程总结本课程全面介绍了操作系统的基本概念、主要功能和基本算法让学生对操作系,统有了深入的了解我们探讨了进程管理、内存管理、文件管理等关键技术并,分析了一些实际案例相信通过本课程的学习同学们已经掌握了操作系统的核,心知识。