《操作系统原理》》课件

操作系统原理操作系统是计算机系统的核心组件之一它管理系统资源，提供用户与硬件之间的接口课程简介核心内容实践能力教学目标本课程涵盖操作系统基本原理，包括进程管通过理论学习与实践演练，培养学生操作系帮助学生深入理解操作系统工作机制，为后理、内存管理、文件系统等核心概念统相关的编程能力和应用能力续的软件开发和系统维护打下坚实基础操作系统基础操作系统是计算机系统中最重要的软件之一操作系统是一种系统软件，它为应用软件提操作系统负责管理计算机系统中各种资源的，它管理着计算机系统的所有资源，并为用供运行环境，并管理硬件资源，例如CPU分配和使用，包括CPU时间、内存空间、户提供一个友好的使用界面、内存、磁盘和网络等磁盘空间和网络带宽等操作系统功能资源管理进程管理12操作系统负责管理计算机的各操作系统创建、调度和终止进种资源，例如CPU、内存、存程，以确保它们能够有效地共储设备和外设享CPU资源内存管理设备管理34操作系统负责分配和回收内存操作系统管理计算机上的各种空间，以满足不同进程的需求输入/输出设备，例如键盘、鼠标、打印机和网络接口操作系统结构单内核结构微内核结构单内核结构将所有操作系统组件微内核结构将操作系统核心功能集成到一个内核中，提供系统级最小化，其他服务作为独立模块服务，确保系统稳定性和安全运行，提高灵活性和可扩展性例如，Linux、Unix例如，Mach、L4混合内核结构混合内核结构结合了单内核和微内核的优点，提供高效性和灵活性的平衡例如，Windows进程管理进程管理是操作系统的重要组成部分，它负责创建、管理和终止进程创建进程1进程创建需要分配资源并创建进程控制块管理进程2管理进程包括调度、同步和通信终止进程3进程终止需要释放资源并删除进程控制块进程管理的任务是确保操作系统能够高效地利用系统资源，并为用户提供良好的服务进程的状态就绪状态运行状态阻塞状态终止状态进程已准备好运行，但正在等进程正在执行，其指令正在进程正在等待某个事件发生，进程已完成执行，不再需要运待CPU时间CPU上执行例如I/O完成或资源可用行进程控制块进程控制块PCB关键属性PCB是操作系统用来管理进程的结构，包进程标识符、进程状态、程序计数器、CPU含进程的基本信息和状态寄存器、内存地址空间、I/O状态、优先级等信息管理进程操作系统核心PCB用于调度、切换、同步、通信等进程PCB是操作系统内核的重要数据结构，用管理操作于协调和控制进程的运行进程调度算法先来先服务FCFS最短作业优先SJF时间片轮转RR优先级调度按进程到达时间先后顺序进行选择执行时间最短的进程，提给每个进程分配一个时间片，根据进程优先级高低进行调度调度，简单易实现，但可能导高系统吞吐率，但难以预测未轮流执行，实现公平性，但可，可灵活调整，但可能导致饥致较长等待时间来执行时间能导致较多上下文切换饿现象并发问题与解决方案并发是指多个程序或进程同时运行，共享系统资源这会导致一些问题，例如资源竞争、数据一致性问题和死锁竞争条件1多个进程同时访问共享资源，可能导致数据不一致死锁2两个或多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行数据一致性3多个进程对共享数据进行修改，可能导致数据丢失或不一致操作系统提供了一些机制来解决并发问题，例如互斥锁、信号量和条件变量这些机制可以确保对共享资源的访问是互斥的，并且数据的一致性得到保证同步与互斥同步互斥多个进程需要协调工作才能完成任务，例如多个进程同时访问共享确保同一时间只有一个进程能够访问共享资源，以防止数据冲突和资源，需要确保数据的完整性和一致性不一致例如，一个进程在写数据时，其他进程无法访问或修改数据，直到写操作完成死锁问题与预防资源竞争循环等待

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22.多个进程竞争有限的资源，例多个进程互相等待对方持有的如打印机或CPU时间资源，形成一个循环解决方案预防策略

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44.死锁预防、死锁避免、死锁检打破循环等待条件，破坏系统测和死锁恢复资源的分配顺序内存管理内存分配1操作系统负责管理计算机的内存资源，为不同的程序分配内存空间，避免相互干扰内存保护2防止程序访问未分配给它的内存区域，保护操作系统和其它程序的安全，避免系统崩溃内存共享3多个程序共享内存，例如共享库和数据，提高内存使用效率虚拟内存概述概念优势工作原理应用场景虚拟内存是一种内存管理技术虚拟内存可以让程序运行在比虚拟内存使用页表来映射虚拟虚拟内存广泛应用于现代操作，它允许程序使用比物理内存物理内存小的系统中，并提高地址和物理地址系统，例如Windows，Linux更大的地址空间系统效率，macOS等当程序访问虚拟地址时，页表它使用硬盘空间作为虚拟内存它还可以帮助程序访问更多的会将虚拟地址转换为物理地址它对于运行大型程序或多任务的一部分，将程序和数据加载内存，并提高系统的安全性，并从内存或硬盘中读取数据处理至关重要到内存中，并根据需要进行交换页式段式管理/页式管理段式管理将逻辑地址空间划分为固定大小的页将逻辑地址空间划分为大小可变的段，物理内存也划分为相同大小的页框，物理内存也划分为大小可变的段框页面置换算法最佳置换算法先进先出OPT FIFO最佳置换算法是理想情况下最优最先进入内存的页面被最先替换算法，它选择未来最长时间不会，简单易实现，但可能将经常使被访问的页面进行替换，但无法用的页面替换出去在实际应用中实现最近最少使用LRU时钟算法替换最近最少使用的页面，假设时钟算法是一种近似LRU的算法最近不使用的页面将来也不太可，它使用一个循环队列记录页面能被使用，在实际应用中效果较的使用情况，选择最近最少使用好的页面进行替换设备管理硬件抽象层操作系统为用户程序提供统一的接口，屏蔽底层硬件差异，简化用户程序开发设备驱动程序操作系统提供专用的驱动程序，控制特定类型的硬件设备，实现设备的访问和控制设备分配和管理操作系统负责分配和管理系统中的各种设备，例如CPU、内存、磁盘、打印机等设备独立性用户程序可以通过统一的接口访问各种设备，无需关心具体设备的类型和驱动程序I/O调度操作系统负责管理和调度I/O操作，提高系统效率，减少等待时间磁盘管理数据存储磁盘调度算法12硬盘是操作系统存储数据的主磁盘调度算法优化了磁头移动要媒介它包含扇区、磁道和，减少了磁盘访问时间，提高柱面，以组织数据了系统效率文件系统支持数据安全34磁盘管理系统提供文件系统接磁盘管理系统通过备份、恢复口，允许操作系统将数据组织和数据校验机制，确保数据安成文件和目录全性和完整性文件系统文件组织方式文件存储策略文件系统负责组织和管理存储在磁盘上的文件它使用目录结构来组织文件，允许文件系统需要选择合适的存储策略，例如连续分配、链接分配或索引分配这些策用户方便地创建、删除、修改和访问文件略影响着文件存储的效率和性能•树形结构•线性结构文件组织与存储目录结构磁盘分配索引节点文件组织成层次结构，方便管理文件分配磁盘空间，采用多种分配策略索引节点包含文件属性和数据块地址信息文件访问控制访问权限访问控制列表安全策略用户访问文件有三种权限读取、写入和执ACL详细记录文件所有者、组和其他用户操作系统强制执行安全策略，保护系统资源行对文件的访问权限和用户数据安全与保护访问控制数据完整性系统安全操作系统提供访问控制机制，保护数据免受未经授权的修改防止恶意软件、病毒、黑客攻以确保系统资源的安全性例和删除例如，使用校验和、击等安全威胁，维护系统的稳如，用户账户、权限管理、文加密等技术，保证数据的完整定性和可靠性件访问权限等性系统调用定义系统调用是用户程序与操作系统内核之间的接口，提供用户程序访问系统资源的能力机制用户程序通过系统调用指令发起请求，内核根据请求类型进行处理并返回结果类型常见的系统调用包括进程管理、内存管理、文件系统、网络通信、设备管理等优势系统调用保证了系统安全性和稳定性，也简化了用户程序的开发中断处理机制中断发生1CPU遇到外部事件中断处理2CPU保存当前状态中断服务程序3处理中断事件返回4恢复原状态中断处理机制是操作系统的重要组成部分当CPU遇到外部事件，如键盘输入或磁盘读写完成，就会触发中断中断处理机制负责将CPU从当前工作状态切换到中断处理状态，并执行相应的程序，最终返回原状态操作系统引导过程加电自检POST1计算机通电后，首先执行BIOS自检程序，测试硬件是否正常工作引导加载程序Boot Loader2从硬盘或其他启动设备加载操作系统引导程序，它负责初始化系统并将控制权传递给操作系统内核操作系统内核加载3操作系统内核被加载到内存，并初始化系统资源，包括内存、中断、进程等系统初始化4完成系统初始化后，操作系统开始加载驱动程序，并进入用户界面，等待用户命令实时操作系统实时性确定性实时操作系统必须及时响应外部事件，并在预实时操作系统必须能够预测系统对事件的响应定的时间内完成任务时间，并保证系统行为的一致性可靠性应用领域实时操作系统必须保证系统的高可靠性和稳定实时操作系统广泛应用于工业自动化、航空航性，防止意外事件导致系统崩溃天、医疗设备等领域嵌入式操作系统资源受限实时性嵌入式系统通常具有有限的内存嵌入式系统通常需要在严格的时、处理器和存储空间间限制内完成任务，这对于实时应用至关重要专用性可靠性嵌入式操作系统通常针对特定硬嵌入式系统通常需要在极端条件件和应用程序进行优化，这使得下运行，因此可靠性至关重要它们非常高效且可靠案例分析操作系统:WindowsWindows操作系统是全球最流行的操作系统之一，它支持各种硬件和软件，为用户提供图形界面和多任务处理功能Windows操作系统采用微内核架构，它包含多个组件，例如文件系统、内存管理、进程管理等Windows操作系统具有广泛的应用程序支持，可以满足各种用户的需求，从日常办公到游戏娱乐案例分析操作系统:LinuxLinux操作系统是开源的，广泛应用于服务器、嵌入式系统和桌面环境其特点包括•开源和免费•稳定可靠•强大的社区支持•丰富的软件库操作系统发展趋势云计算与虚拟化人工智能与机器学习12云计算平台提供灵活的资源和人工智能在操作系统中应用越可扩展性虚拟化技术可以创来越广泛，例如智能调度、故建多个虚拟机，提高资源利用障预测和安全监测率物联网与边缘计算安全与隐私34物联网设备需要轻量级、低功操作系统安全越来越重要，需耗的操作系统边缘计算将数要加强数据加密、访问控制和据处理推向网络边缘，提高响漏洞修复应速度课程总结与展望操作系统原理未来发展计算机科学的重要组成部分，理解操作系统结构，功能和机制，能操作系统将在云计算，物联网，人工智能等领域，发展新的技术，够更好地利用计算机资源，并开发更高效的应用程序例如，分布式操作系统，微内核操作系统和安全增强型操作系统。