《操作系统引论上》课件

《操作系统引论》操作系统是计算机系统的重要组成部分，它管理着计算机的硬件资源并为应用程序提供运行环境本课程将深入探讨操作系统的基本概念、体系结构、关键功能以及设计原理操作系统的定义和作用定义作用操作系统是一个管理和控制计算机硬件资源的软件系统，为用操作系统负责管理计算机的硬件资源，如处理器、内存、外设户提供一个友好的接口，使计算机资源得到有效利用等，并提供各种系统服务，方便用户使用计算机操作系统的发展历程早期操作系统最早的操作系统是批处理系统，它们在20世纪50年代出现批处理系统一次处理多个作业，但效率低下，缺乏交互性分时操作系统分时操作系统在20世纪60年代兴起，允许多个用户同时使用一台计算机它提供多任务处理，提高了资源利用率和用户体验实时操作系统实时操作系统在20世纪70年代发展起来，专门用于需要实时响应的应用，例如工业控制和航空航天现代操作系统现代操作系统融合了各种功能，包括图形用户界面、网络支持、安全性和可靠性等它们广泛应用于个人计算机、服务器和移动设备操作系统的特点和功能资源管理用户接口

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2.12操作系统管理硬件资源，分提供用户和计算机之间交互配给不同的用户和应用程序的接口，方便用户使用计算机程序执行管理数据管理

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4.34负责程序的加载、执行、调操作系统管理数据存储和访度和终止，确保程序正常运问，确保数据的完整性和安行全性操作系统的体系结构操作系统结构体现其内部组织方式，是实现其功能和性能的关键常见的操作系统体系结构包括分层式、微内核、模块化等分层式结构将操作系统功能划分为多个层次，逐层调用，清晰易懂，但效率较低微内核结构将核心功能最小化，其余功能通过服务程序实现，灵活可扩展，但复杂度增加模块化结构将操作系统功能分解为模块，方便维护和升级，但模块之间可能存在依赖关系进程的基本概念进程定义进程特点进程是一个正在运行的程序的进程是独立的，拥有自己的内实例，它是一个动态的概念，存空间和资源进程是并发执它包含程序代码、数据、堆栈行的，多个进程可以同时运行和系统资源等信息进程是操，提高系统资源利用率作系统进行资源分配和调度的基本单位进程模型进程模型描述进程的结构和状态，常见的进程模型有单线程模型、多线程模型和多进程模型进程的状态和转换运行1进程正在占用CPU，执行程序代码就绪2进程已准备好运行，等待分配CPU阻塞3进程等待某个事件发生，例如I/O完成或资源可用创建4进程正在被创建终止5进程已完成执行或遇到错误进程状态转换是指进程在生命周期中，状态之间的切换例如，当一个就绪状态的进程被分配到CPU时，它将进入运行状态当一个进程等待某个事件发生时，它将从运行状态或就绪状态进入阻塞状态当事件发生时，阻塞状态的进程将进入就绪状态线程的基本概念线程是操作系统能够进行运算调度的最小单线程共享进程的资源，包括内存空间、打开位，是进程中的一个执行流的文件和信号量等线程可以实现并发执行，提高系统效率，并线程的创建和销毁相对轻量级，使其成为处能够减少上下文切换开销理并发任务的理想选择线程与进程的关系多个线程并发执行协作一个进程可以包含多个线程，每个线程线程允许在单个进程内实现并发执行，线程之间可以互相通信和协作，例如共都共享同一个进程空间和资源提高程序的效率和响应速度享数据或同步操作进程调度的基本原理CPU资源分配进程切换操作系统负责将CPU时间分配当一个进程需要等待资源或执给不同的进程，以确保所有进行完毕后，操作系统需要将程都能得到执行机会CPU控制权切换到另一个进程调度策略操作系统需要根据不同的调度算法来决定哪个进程优先获得CPU时间，以提高系统效率进程调度的算法先到先服务FCFS最短作业优先SJF优先级调度时间片轮转RR最简单的调度算法，按照进选择预计运行时间最短的进根据每个进程的优先级进行每个进程获得一个固定时间程到达顺序执行简单易实程执行可以减少平均等待调度，优先级高的进程优先片执行，时间片结束后切换现，但容易造成短进程等待时间，但需要提前知道运行执行适合对时间敏感的应到下一个进程，可以提高系时间过长时间用，但需要合理分配优先级统吞吐量，但可能导致上下文切换开销过大进程同步的基本概念协调资源共享保护数据完整性

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2.12多个进程访问同一资源时，避免多个进程同时修改共享需要协调访问顺序数据，导致数据不一致保证数据一致性提高系统效率

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4.34同步操作确保每个进程对数合理分配资源，提高系统整据的修改都能反映到其他进体效率程临界区和互斥临界区是指一段代码，在多个进程或线程访问共享资源时需要互斥访问，防止数据不一致互斥是指在同一时间只有一个进程或线程可以访问临界区，确保数据的完整性和一致性互斥的实现通常使用信号量、管程或锁机制，确保临界区的独占访问，避免数据冲突信号量机制信号量概念信号量的操作信号量机制信号量是一个整数值，用于控制对共享信号量支持两种操作wait（等待）和信号量机制提供了一种简单而有效的同资源的访问signal（发出信号）步方法，它允许线程在共享资源上进行安全的合作管程机制管程定义管程特点管程是一种高级同步机制，用以管理共享资源管程通过定义互斥访问和条件变量来确保多线程访问共享资源的安全性它提供了一组操作共享资源的程序和数据结构，并控制对这些资源的访问它可以简化并发编程，降低程序员的负担死锁的基本概念定义特征影响死锁是指多个进程因竞争资源而互死锁通常发生在多个进程争夺有限死锁会导致系统性能下降，资源浪相等待，最终导致所有进程都无法的资源时，每个进程都持有部分资费，甚至系统崩溃，需要采取措施继续运行的状态源，并等待其他进程释放资源预防或解决死锁问题死锁的必要条件互斥条件持有并等待条件不可剥夺条件循环等待条件资源只能被一个进程独占使一个进程在请求新资源时，资源一旦分配给一个进程，多个进程构成循环等待，每用，其他进程无法访问必须保持对已分配资源的占在进程完成之前不能强制性个进程等待另一个进程持有有地剥夺的资源死锁的预防和避免预防死锁避免死锁12通过限制资源获取，防止死通过动态检测系统状态，避锁的发生比如一次性分配免死锁比如银行家算法，所有资源或遵循资源获取顺在资源分配前进行模拟，确序保不会产生死锁其他方法3除了预防和避免，还可以通过检测和恢复来处理死锁但这些方法通常效率较低，且可能导致系统性能下降存储管理的基本原理内存管理的挑战内存管理的基本策略内存管理的目标内存是计算机系统中重要的资源，操作操作系统采用多种策略来管理内存，例内存管理的目标是优化内存利用率，提系统需要有效管理内存以提高系统性能如分区分配、分页、分段、虚拟内存等高系统性能，确保程序之间的安全运行内存管理的目标是高效地分配和回收内这些策略旨在提高内存利用率，提供更操作系统通过内存管理机制来实现这些存，并防止不同程序之间的内存冲突灵活的内存分配方式目标内存分配的方式连续内存分配分页式内存分配段式内存分配页式段式内存分配每个进程分配一个连续的内将进程的地址空间划分为大将进程的地址空间划分为逻将页面和段式两种方式结合存空间，方便管理但是，小相等的页面，物理内存划辑单元，称为段每个段可起来，既能提高内存利用率这种方式存在内存碎片问题分为同样大小的页框页面以有不同的长度，提高了程，又能保持程序的模块化和，浪费内存空间可以不连续地加载到页框中序的模块化和保护性保护性，提高了内存利用率虚拟内存的基本概念物理内存物理内存是指计算机系统中实际存在的内存空间，通常由RAM构成物理内存的大小有限，并且需要处理多个进程，所以可能不足以满足所有进程的需求虚拟内存虚拟内存是操作系统提供的一种机制，通过将部分数据和代码放到磁盘上，来扩大可用内存空间虚拟内存允许程序运行时占用更大的空间，即使实际物理内存有限页式虚拟内存管理页面大小页面表

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2.12页面大小是内存分配的最小页面表是一个表格，用于记单位，通常为4KB或8KB录每个页面的物理地址页面置换算法多级页表

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4.34页面置换算法用于决定将哪多级页表可以用来减少内存个页面从内存中移出占用，同时提高页表访问效率段式虚拟内存管理将程序的地址空间划分为多个逻辑段每个段可以有不同的长度为每个段创建一个段表，用于存储段的起始地址和长度信息物理内存被划分为多个物理段段表中的段可以被加载到物理内存中的不同物理段页面置换算法FIFO LRU先进先出算法简单易懂，但可最近最少使用算法根据页面访能导致效率低下，因为最近使问时间进行替换，更有效地利用的页面也可能被替换用内存，但需要额外的空间记录访问时间OPT最佳置换算法可以找到最优的页面替换策略，但无法在实际环境中实现，因为需要预测未来文件系统的基本概念文件组织和管理文件访问文件系统负责组织和管理计算机系文件系统提供用户访问文件的方式统中存储的文件，提供文件存储、，例如创建、删除、修改、复制、访问和管理功能移动文件等安全控制数据结构和算法文件系统管理文件访问权限，确保文件系统利用特定的数据结构和算文件安全，防止非法访问和修改法来管理文件，实现高效的存储和访问文件的属性和操作文件属性文件操作每个文件都有一组属性，描述文操作系统提供了多种文件操作功件本身的信息，例如文件名、文能，例如创建文件、删除文件、件大小、创建日期、修改日期、打开文件、关闭文件、读写文件访问权限等这些属性有助于管、移动文件、复制文件、重命名理和识别文件文件等这些操作方便用户管理和使用文件文件系统文件系统是操作系统中一个重要的组成部分，它负责管理文件系统中的所有文件，并提供访问文件的方式它将文件系统中的所有文件组织成树形结构，并提供文件目录的概念，方便用户查找和管理文件目录结构和管理树形结构目录项12文件系统采用树形结构组织文件，方便管理和查找文件每个目录项包含文件名、文件类型、文件大小等信息，方便用户快速查找路径名目录操作34路径名指明文件在目录结构中的位置，便于访问和操作文件操作系统提供创建、删除、重命名目录等操作，方便用户管理文件系统文件存储管理磁盘块分配目录管理数据结构将文件存储到磁盘上，需要将文件划分通过目录结构组织文件，方便用户查找文件系统采用各种数据结构，例如文件为若干个磁盘块，并分配给文件和管理文件控制块FCB和目录项，来管理文件信息系统的基本结构I/O硬件层软件层包括各种I/O设备，如硬盘、键盘、鼠包括设备驱动程序，负责管理和控制硬标等件设备这些设备负责数据的输入输出，并与操驱动程序提供操作系统与设备之间沟通作系统交互的桥梁设备的管理I/O设备识别设备驱动程序设备分配设备中断操作系统需要识别连接的I/O每个I/O设备都需要特定的驱操作系统需要管理设备的分当I/O设备完成操作时，会向设备，以便分配资源和进行动程序来控制其工作方式配，防止多个进程同时使用操作系统发送中断信号，通管理同一个设备知操作系统处理结果设备驱动程序驱动程序的作用设备驱动程序充当操作系统和硬件设备之间的桥梁，它负责接收来自操作系统的命令并将其转换为硬件设备可以理解的信号同时，它也负责将硬件设备的反馈信息传递给操作系统，从而实现操作系统对硬件设备的控制和管理驱动程序的类型常见的驱动程序类型包括设备驱动程序、网络驱动程序、存储驱动程序、音频驱动程序、图形驱动程序等，它们分别负责管理不同的硬件设备类型。