《操作系统基本原理》课件

操作系统基本原理操作系统是计算机系统的核心，管理着计算机硬件和软件资源它为应用程序提供一个抽象层，简化了应用程序的开发和运行课程概述课程目标课程内容

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2.12帮助学生了解操作系统的基本原理和工作机制，为后续课程包括操作系统的定义、功能、历史发展、结构、组成以及进学习打下基础程、内存、文件、输入/输出管理等关键概念和技术课程形式教学方法

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4.34主要采用课堂讲授、实验练习和课后作业等方式，以理论讲通过案例分析、模拟实验、小组讨论等多种方式，帮助学生解和实践操作相结合深入理解操作系统原理操作系统的定义和功能管理计算机资源操作系统管理计算机硬件和软件资源，包括CPU、内存、存储设备和外设提供用户界面操作系统为用户提供与计算机交互的界面，如图形界面或命令行界面管理网络资源操作系统管理网络连接和通信，提供文件共享、远程访问等功能操作系统的历史发展早期操作系统早期操作系统以批处理为主，例如，UNIVAC操作系统，IBM的OS/360分时操作系统分时操作系统允许多个用户同时使用计算机，例如，Multics，UNIX实时操作系统实时操作系统用于控制实时应用，例如，航空航天系统，工业控制系统现代操作系统现代操作系统融合了多种技术，例如，Windows，macOS，Linux操作系统的结构和组成内核系统调用接口操作系统核心，管理系统资源，应用程序与内核交互的接口，提提供基本服务供系统功能系统程序用户界面扩展系统功能，提供用户工具和用户与操作系统交互的界面，提服务供操作方式进程管理进程管理是操作系统最重要的功能之一，负责创建、撤销、调度和同步进程它管理着系统中所有正在运行的程序，确保它们能够有效地共享系统资源，并协调它们的执行进程的基本概念进程定义进程属性一个正在执行的程序的实例，它是一个动态的概念，它是一个正进程拥有进程ID，它在系统中唯一标识一个进程在运行的程序每个进程都有一个程序计数器、CPU寄存器和内存地址空间，它们进程是一个独立运行的实体，拥有自己的地址空间、资源和状态共同定义了进程的状态信息进程的状态转换新建状态1进程创建时就绪状态2等待分配CPU运行状态3正在执行代码阻塞状态4等待I/O完成终止状态5进程结束进程调度算法先到先服务最短作业优先轮转法优先级调度算法FCFS SJFRR最简单的调度算法按照进程选择运行时间最短的进程优先将时间片轮流分配给每个进程根据进程的优先级进行调度，到达的顺序进行调度执行，以提高系统效率，实现公平性优先级高的进程优先执行死锁问题及解决方案死锁定义解决方案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运行•死锁预防，陷入死锁状态•死锁避免例如，进程A持有资源X，需要资源Y才能继续运行，而进程B持有•死锁检测资源Y，需要资源X才能继续运行•死锁解除内存管理内存管理是操作系统中一项重要的功能，它负责分配和回收内存资源，为多个进程提供高效的内存访问内存管理的主要目标是保证系统稳定运行，提高内存利用率，并为用户提供便利的内存使用接口内存分配策略首次适应算法最佳适应算法最差适应算法从内存的起始位置开始查找，第一个满足分选择最小的空闲分区，尽量减少内存碎片化选择最大的空闲分区，留下最大的空闲分区配要求的空闲分区分配给进程简单快速，，但查找时间较长以便分配更大的进程但可能导致内存碎片但可能导致内存碎片化化严重虚拟内存技术扩展地址空间提高内存利用率

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2.12使用虚拟内存技术，可以扩展多个程序可以共享物理内存，系统地址空间，支持更多应用避免内存浪费，提高系统整体程序运行，突破物理内存的限的内存利用效率制增强系统安全性增强程序移植性

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4.34每个进程拥有独立的虚拟地址程序可以运行在不同的物理内空间，互相隔离，防止互相影存环境下，简化程序移植响页面置换算法算法算法算法算法FIFO LRUOPT CLOCK先进入内存的页面先被替换出最近最少使用页面先被替换出最优页面置换算法，但无法在结合FIFO和LRU算法优点，在去简单易实现，但可能导致去更符合实际情况，性能较实际系统中实现，仅作为理论性能和实现复杂度之间取得平频繁页面置换，性能较低好，但实现较为复杂参考衡文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，它负责对文件进行组织、存储和访问文件管理系统提供创建、删除、读取、写入和修改文件等操作，并确保文件安全性和完整性文件的基本概念数据集合逻辑单元文件是存储在计算机系统中的数据集合，表示一组有组织的信从用户的角度来看，文件是一个逻辑单元，它包含一组相关的息数据或程序命名和管理结构化信息每个文件都有唯一的名称，由操作系统进行管理，方便用户访文件可以包含文本、图像、音频、视频等多种类型的数据，并问和操作具有特定的组织结构文件系统结构层次结构文件分配方式文件系统采用树形结构组织文件根目录位于树的顶端，其他文文件系统使用不同的策略来分配磁盘空间，例如连续分配、链接件和目录作为根目录的子节点每个文件和目录都有唯一的路径分配和索引分配，以满足不同的性能需求名称文件存储管理连续分配链接分配

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2.12文件占连续的磁盘块，简单高文件分散存放，用链接表记录效，但易产生外部碎片逻辑顺序，灵活，但寻址慢，易丢失索引分配混合分配

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4.34使用索引节点记录文件块地址结合多种方式，例如，将文件，灵活，但需要维护索引节点分成若干块，用链接或索引方，增加了系统开销式管理，提高效率磁盘调度算法先来先服务（）最短寻道时间优先（）FCFS SSTF简单易实现，但容易出现饥饿现象优化磁盘寻道时间，但可能导致磁头在磁道间频繁跳跃扫描（）循环扫描（）SCAN C-SCAN磁头单方向扫描，提高效率，避免磁头在磁道间频繁跳跃磁头循环扫描，提高效率，避免磁头停留在磁道边缘输入输出管理/输入/输出管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和控制计算机系统与外部设备之间的信息交换输入/输出管理模块负责处理用户程序对外部设备的访问请求，并协调硬件资源的使用设备驱动程序硬件抽象层设备控制中断处理驱动程序充当硬件和操作系统之间的桥梁，驱动程序负责向硬件设备发送命令和读取数当硬件设备完成操作或发生错误时，会向操使操作系统能够访问和控制硬件设备据，例如控制硬盘读写或处理键盘输入作系统发送中断信号，驱动程序负责处理这些中断缓冲区管理缓冲区高速缓存假脱机作为数据交换的临时存储区域在设备和主用于保存常用数据，加速数据访问操作系将数据暂时存储到磁盘，等待设备的空闲时存之间，操作系统会使用缓冲区来提高数据统会将一些常用的数据存入高速缓存，减少间操作系统会将数据写入磁盘，以等待设传输效率对主存的访问次数备的空闲时间，避免设备空闲中断机制异步事件处理切换CPU12中断机制是操作系统处理异步当发生中断时，CPU会暂停当事件的关键，例如键盘输入、前正在执行的程序，并转而执磁盘读写、网络数据接收等行中断处理程序恢复现场提升效率34中断处理程序完成任务后，会中断机制使操作系统能够高效将CPU控制权返回给之前被中地管理各种硬件设备，并有效断的程序，并恢复其执行状态地利用CPU资源操作系统的安全性操作系统安全是指保护操作系统免受恶意攻击、数据泄露和系统崩溃的措施操作系统安全是保证系统稳定性和数据完整性的关键，是任何操作系统设计和实现中不可或缺的一部分访问控制机制用户身份验证权限控制验证用户身份，防止未授权访问系统限制用户对特定资源的操作权限，例资源如读取、写入、执行等访问控制列表访问控制策略定义允许访问特定资源的用户或组，制定访问控制的规则和原则，确保系以及他们可以执行的操作统的安全性和完整性密码保护和加密技术密码保护加密技术密码保护是用户身份验证的重要手段用户使用密码来访问系统加密技术用于保护数据机密性使用算法将明文转换为密文，只资源，例如帐户、文件和应用程序强密码包含大小写字母、数有拥有密钥的人才能解密常见的加密算法包括AES、DES和RSA字和特殊字符，并定期更改容错和恢复系统错误容错机制硬件故障、软件错误、意外停电通过冗余设计、校验和等手段，等都会导致系统错误，影响系统可以检测并修复系统错误，保证稳定性系统正常运行恢复机制当系统出现不可恢复错误时，可以利用备份、日志等信息，恢复系统到正常状态操作系统的性能评价操作系统性能直接影响用户体验和系统效率评估性能指标和优化策略是提升系统效率的关键性能指标和评估方法利用率内存使用率吞吐量延迟CPU衡量CPU占用时间与总时间的表示内存实际使用量与总容量单位时间内系统完成的任务数系统响应请求所需的时间，反比例，反映系统处理能力的比例，反映系统内存分配效量，反映系统处理速度和效率映系统响应速度和用户体验率性能优化策略系统调优算法改进优化系统参数，例如内存分配、使用更高效的算法和数据结构进程调度和磁盘调度例如，调例如，使用哈希表代替线性查找整页面大小和缓存大小以提高性，或使用更快的排序算法能代码优化优化代码，减少不必要的计算和内存访问例如，使用循环展开和指令重排序课程总结本课程全面介绍了操作系统的基本原理和核心概念从操作系统的定义和功能开始，深入探讨了进程管理、内存管理、文件管理、输入/输出管理、安全性、性能评价等关键领域知识点回顾操作系统原理进程管理内存管理文件管理操作系统是计算机系统的核心进程管理负责创建、调度、终内存管理负责分配和回收内存文件管理负责管理文件存储、，负责管理硬件资源和软件资止进程，并管理进程之间的通空间，以及内存保护和虚拟内访问和组织，以及文件安全和源信和同步存技术备份。