操作系统课件Introdu

操作系统概述操作系统是计算机系统的核心，它管理着硬件资源，并为应用程序提供运行环境操作系统作为用户和硬件之间的桥梁，负责处理各种任务，包括内存管理、文件系统管理、进程调度等操作系统的定义和功能定义功能操作系统是管理计算机硬件资源管理计算机硬件，包括处理器、和软件资源的软件系统它为用内存、存储设备和输入输出设户提供使用计算机的接口，并协备提供用户界面，让用户方便调计算机硬件和软件之间的交地使用计算机互功能管理软件资源，包括应用程序、库文件和驱动程序为应用程序提供运行环境，并保证系统稳定性和安全性操作系统的發展历程早期操作系统120世纪50年代，最早的操作系统出现，例如通用自动计算机（UNIVAC）和IBM704这些系统主要用于批处理任务，效率低下，需要人工干预批处理操作系统220世纪60年代，批处理操作系统开始流行，例如IBM的OS/360它们能够自动执行一批作业，提高了计算机利用率，但交互性仍然有限分时操作系统320世纪60年代末，分时操作系统应运而生，例如UNIX和Multics它们允许多个用户同时使用一台计算机，并提供交互式界面个人计算机操作系统420世纪80年代，个人计算机的普及推动了个人计算机操作系统的發展，例如微软的MS-DOS和苹果的Mac OS现代操作系统520世纪90年代至今，现代操作系统不断发展，例如微软的Windows、苹果的macOS和Linux它们提供了强大的功能，支持多任务、图形界面、网络和移动设备等操作系统的分类批处理系统分时系统12批处理系统可以高效处理大量分时系统将处理能力分配给多任务，无需人工干预，适合于个用户，使他们能够同时使用后台作业，如数据处理计算机，提高资源利用率实时系统个人计算机操作系统34实时系统要求快速响应外部事个人计算机操作系统面向普通件，具有严格的时间约束，广用户，提供友好的用户界面和泛应用于工业控制和航空航天丰富的应用程序，如领域Windows和macOS批处理系统批处理系统是一种操作系统，它将一批作业按顺序提交给计算机执行，每个作业运行完毕后，再执行下一个作业批处理系统以批的方式运行，作业在提交后不会立即执行，需要等待一段时间才能开始执行批处理系统通常用于执行长时间运行的程序或处理大量数据，例如科学计算和数据处理分时系统分时系统是一种多用户操作系统，允许多个用户同时使用一台计算机每个用户都拥有自己的独立工作空间，并可以与系统进行交互分时系统通过时间片轮转机制，将时间分配给各个用CPU户，实现共享使用分时系统的主要特点包括交互性、多用户性、资源共享、实时性实时系统严格的时限要求对可靠性的要求对资源的限制实时系统需要在规定的时间内完成任务，通实时系统必须保证稳定可靠，即使在极端条实时系统通常运行在资源有限的设备上，需常以毫秒或微秒为单位件下也能正常运作要高效的资源管理个人计算机操作系统个人计算机操作系统是专门为个人计算机设计和开发的，主要面向单用户、单任务的操作系统用户可以方便地使用它进行各种操作，如浏览网页、编辑文档、运行软件等常见的个人计算机操作系统包括微软的、苹果的Windows以及各种发行版，如、等macOS LinuxUbuntu Fedora移动设备操作系统Android iOSWindows Phone HarmonyOS是全球最受欢迎的移是的移动操作系是微软的移是华为开发的移Android iOSApple WindowsPhoneHarmonyOS动操作系统之一，拥有庞大的统，以其流畅的界面、安全性动操作系统，以前被认为是动操作系统，旨在提供无缝的应用程序生态系统和可定制以及强大的应用程序商店而闻Android和iOS的强大竞争对跨设备体验性名手，但近年来市场份额下降操作系统的基本结构内核进程管理操作系统核心，管理系统资源，提供创建、调度、终止进程，分配和回收基本服务资源内存管理文件管理分配和回收内存，管理虚拟内存，解管理文件和目录，提供文件访问接决内存碎片问题口内核核心功能内核管理系统进程，为进程分配资源，确保进程安全可靠地运行它提供文件系统、网络管理等服务，支撑用户应用程序运行核心组件进程管理进程的定义进程控制一个正在运行的程序的实例，拥有自操作系统负责创建、终止、挂起和恢己的内存空间和资源复进程，确保安全和高效运行并发执行进程通信多个进程共享CPU资源，通过时间片不同进程之间共享数据和资源，需要轮转方式，实现多个进程的交替运进行通信和同步，保证数据一致性行内存管理管理内存资源防止内存冲突

1.

2.12操作系统负责分配和回收内存操作系统确保多个进程不会互空间，确保每个进程都能获得相访问对方的内存空间，防止足够的内存资源数据损坏提高内存利用率保证系统稳定

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4.34操作系统通过多种技术，例如良好的内存管理能够防止内存虚拟内存技术，来提高内存的泄漏和崩溃，确保系统稳定运利用率行设备管理设备驱动程序设备分配与调度设备驱动程序负责控制和管理计算机系统设备管理模块负责将硬件设备分配给不同中各种硬件设备，例如磁盘、网络接口、的应用程序使用，并协调多个应用程序对打印机等同一设备的访问它充当了操作系统和硬件设备之间的桥它还负责设备的调度，确保不同类型的设梁，为应用程序提供统一的接口，屏蔽硬备得到合理使用，提高系统效率件差异文件管理文件存储文件访问操作系统负责将文件存储在磁盘或其他存储用户可以使用操作系统提供的接口来访问文设备上这包括分配磁盘空间并管理文件位件，例如打开、创建、读取、写入和删除文置件文件保护文件组织操作系统提供了文件保护机制，例如访问控操作系统通常使用目录结构来组织文件，这制和密码保护，以确保文件安全使得用户可以轻松地找到和管理文件进程的基本概念程序进程程序是一组指令序列，是静态进程是程序的一次执行过程，是的，存储在磁盘上动态的，拥有独立的地址空间和系统资源进程映像进程控制块（）PCB进程映像是指进程在内存中的映PCB是进程管理的核心，包含进像，包括代码段、数据段、堆栈程标识、状态、资源等信息，用段等于管理进程进程的状态进程在运行过程中会经历多种状态，这些状态之间会互相转换运行状态1进程正在使用CPU进行计算就绪状态2进程已经准备好运行，但正在等待CPU阻塞状态3进程正在等待某个事件发生，例如操作完成I/O进程控制创建1进程创建的流程挂起2进程的暂停和恢复终止3进程的结束和资源回收进程控制是指操作系统对进程的管理和控制，包括创建、挂起、恢复和终止进程等操作通过进程控制，操作系统可以有效地管理系统资源，并实现多任务并发执行多进程并发执行轮流执行操作系统通过时间片轮转，让多个进程交替执行，实现“同时”运行的效果共享资源多个进程共享CPU、内存等系统资源，提高资源利用率上下文切换当一个进程的时间片用完，操作系统会保存当前进程状态，并切换到另一个进程，继续执行协作处理多个进程可以合作完成复杂任务，例如，一个进程负责输入，另一个进程负责输出进程同步与互斥互斥同步临界区信号量多个进程访问共享资源时，同多个进程按特定顺序访问共享访问共享资源的代码段，需使同步机制，用于管理对共享资一时刻只允许一个进程访问资源，确保数据一致性用同步机制保护源的访问死锁的概念与处理死锁概念死锁处理方法多个进程相互等待对方持有的资源，导致死锁预防设计算法，确保系统永远不会所有进程都无法继续运行，陷入僵持状进入死锁状态，例如，使用资源有序分配态策略死锁会导致系统资源浪费，降低系统效死锁避免通过动态监测系统状态，避免率，甚至造成系统崩溃潜在的死锁，例如，使用银行家算法内存管理方式单一连续分配分页式管理分段式管理段页式管理将内存划分为若干个固定大小将内存分成大小相等的页框，将程序划分成逻辑上独立的结合了分页和分段的优点，将的区域，每个程序占有一个连每个进程划分成多个页面，并段，每个段可以大小不等，并程序逻辑上划分成段，并进一续区域，程序装入时必须找到将页面分散装入到内存中，提将段分散装入内存，更灵活，步将每个段划分成固定大小的一个足够大的空闲区域，方便高内存利用率，但需要分页机但需要地址转换机制页面，在地址转换时同时使用简单，但浪费内存空间制和地址转换段表和页表虚拟内存技术扩大地址空间多任务处理12虚拟内存技术允许程序使用比虚拟内存可以同时运行多个程物理内存更大的地址空间序，即使物理内存有限提高效率保护机制34通过将部分程序加载到内存虚拟内存提供程序之间相互隔中，可以提高系统性能离，防止程序互相干扰页面置换算法最佳页面置换算法先进先出页面置换FIFO算法该算法选择将来最长时间不会被访问的页面进行替换该算法总是选择最先进入内存的页面进行替换最少使用页面置换时钟页面置换算法LRU算法该算法是算法的改进，它FIFO该算法总是选择最近最少使用的使用一个时钟指针来选择页面页面进行替换设备驱动程序硬件接口系统服务软件模块设备驱动程序充当操作系统和硬件设备之间设备驱动程序提供系统服务，例如文件读驱动程序是软件模块，负责处理特定硬件设的桥梁，允许操作系统控制和访问硬件资写、数据传输和硬件状态监控备的特定操作源文件系统结构目录结构文件组织方式12文件系统以树形结构组织文件，每个目文件系统根据数据组织方式分为顺序文录都是树中的一个节点，包含文件和子件系统、索引顺序文件系统、索引文件目录系统等数据块分配策略文件访问控制34文件系统通过数据块分配策略管理磁盘文件系统负责控制用户对文件的访问权空间，确保文件存储的完整性和一致限，保护文件安全，防止非法访问性文件系统管理文件系统组织和管理目录结构文件分配策略磁盘管理文件系统管理包括文件存储、目录结构提供了一种层次化的文件分配策略决定了文件在磁磁盘管理包括磁盘空间分配、组织、访问和安全控制等方组织方式，方便用户管理和访盘上的存储方式，影响磁盘空文件存储和检索等功能面问文件间利用率和文件访问性能输入输出系统硬件接口软件管理输入输出系统需要与各种硬件设备进行交互，例如键盘、鼠标、输入输出系统还包括一组软件组件，这些组件负责管理硬件设显示器、硬盘等备，并为应用程序提供统一的接口来访问这些设备它负责管理这些设备的访问，并确保数据能够正确地从设备传输例如，驱动程序负责控制特定硬件设备的行为，而操作系统内核到内存或从内存传输到设备则负责管理所有硬件设备的访问操作系统安全机制访问控制数据加密恶意软件防御安全审计操作系统使用访问控制列表通过加密敏感数据，例如用户操作系统通常包含内置的恶意操作系统记录系统活动，例如ACL和权限设置来限制对系密码和系统文件，可以防止未软件防御机制，例如防病毒软用户登录、文件访问和程序执统资源的访问，确保仅授权用经授权的访问和数据泄露件和防火墙，以检测和阻止恶行，以便进行安全审计和追踪户和进程可以访问特定文件、意软件入侵潜在的安全威胁目录或设备操作系统的性能评价操作系统性能评价是衡量操作系统效率和有效性的关键环节指标描述示例吞吐量单位时间内系统处理每秒处理的请求数量的任务数量响应时间系统对用户请求作出网页加载时间响应所需的时间资源利用率系统资源的有效利用CPU使用率，内存使程度用率。