华科电信系操作系统课件cha

华中科技大学电信系操作系统课程本课程将深入探讨操作系统的核心概念和实现细节涵盖了进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等关键主题操作系统概述操作系统是计算机系统中必不可少的软件它负责管理计算机硬件资源，为应用程序提供运行环境操作系统是一个复杂的软件系统，它协调了计算机的各个部分，使它们能够有效地协同工作操作系统的功能和特点资源管理进程管理操作系统管理计算机的硬件资源，包括CPU、操作系统负责创建、调度、终止进程，协调多内存、外设等，为用户提供统一的访问接口个进程共享CPU和内存资源文件管理安全性操作系统管理文件存储，提供文件创建、删除操作系统提供安全机制，保护系统资源不被恶、读写、修改等功能，方便用户组织和使用数意访问或破坏，保障系统安全运行据操作系统的发展历程早期操作系统以批处理系统为代表，例如IBM的OS/360这些系统旨在提高计算机利用率，但缺乏交互性和灵活性分时系统例如UNIX和Multics，允许多个用户同时使用计算机，并提供交互式界面个人计算机操作系统例如MS-DOS和Apple macOS，为个人电脑提供用户友好的界面和应用程序支持现代操作系统例如Windows、Linux和Android，支持多任务处理、图形界面、网络连接和安全功能操作系统的分类单用户单任务操作系统单用户多任务操作系统多用户多任务操作系统实时操作系统RTOS这类操作系统只能允许一个用这类操作系统允许一个用户同这类操作系统允许多个用户同这类操作系统专门为实时应用户使用，并且同一时间只能运时运行多个程序例如，时使用，并且每个用户都可以设计，例如工业控制和嵌入式行一个程序例如，早期的Windows和macOS运行多个程序例如，Linux和系统RTOS对时间要求严格，DOS系统Unix必须在严格的时限内完成任务进程管理进程是操作系统中重要的概念，是资源分配和调度执行的基本单位进程管理负责创建、撤销、挂起、恢复、调度、同步和通信等操作进程的概念和特点程序的执行过程动态资源分配进程是正在执行的程序的一个实进程拥有自己独立的地址空间和例，它包含了程序代码、数据和资源，包括内存、文件和设备等系统资源并发执行独立性多个进程可以在系统中同时执行进程之间相互独立，拥有独立的，并共享系统资源资源和执行环境进程的状态及转换就绪状态1进程已准备好运行，但正在等待CPU资源分配运行状态2进程正在CPU上执行阻塞状态3进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成操作系统会根据资源可用性、优先级等因素，将进程在不同的状态之间转换例如，当一个进程从就绪状态转换为运行状态时，说明该进程获得了CPU资源进程的同步与互斥进程同步进程互斥进程同步是指多个进程按照一定的顺序进行执行,确保它们之间相进程互斥是指多个进程不能同时访问共享资源,以防止数据不一致互配合,实现共同的目标.或错误.常见的同步机制包括信号量,互斥锁,条件变量等,可以有效地协调常见的互斥机制包括临界区,信号量,互斥锁等,可以有效地保护共多个进程之间的交互.享资源,防止并发访问导致的错误.死锁问题操作系统中的一个关键问题当多个进程相互等待对方释放资源时，就会发生死锁，导致所有进程无法继续执行死锁的概念和原因

11.死锁的概念

22.死锁产生的原因多个进程相互竞争资源，造成竞争不可抢占资源，如打印机互相等待，最终导致所有进程或文件多个进程同时请求资都无法继续执行的状态源，导致资源不足

33.死锁产生的原因

44.死锁产生的原因进程间相互等待资源，形成循系统设计或代码错误，导致进环等待，例如进程A等待进程程陷入死锁状态B释放资源，进程B等待进程A释放资源死锁的预防和解决死锁的预防死锁的解决死锁的预防策略旨在通过限制资源分配方式来避免死锁的发生死锁的解决策略是在发生死锁后采取措施，恢复系统运行•死锁检测利用算法定期检测系统状态，识别是否存在死锁•互斥条件确保同一时间只有一个进程可以使用某一资源•死锁解除选择牺牲一个或多个进程，释放资源，解除死锁•占有并等待禁止进程在等待其他资源时占用已分配的资源•回滚将进程回退到之前状态，释放资源，重试操作•非剥夺条件阻止进程强行夺取其他进程已占用的资源•循环等待条件避免资源分配形成循环依赖关系内存管理内存管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理计算机系统的内存资源内存管理的主要目标是提高内存利用率，防止程序之间的相互干扰，并为应用程序提供高效的内存访问机制内存分配策略连续分配分页分配每个进程在内存中占据一段连续的空间，简单将程序地址空间划分为大小相等的页面，物理易懂，但容易造成内存碎片内存划分为大小相等的页框，方便程序的装入和调出，提高内存利用率分段分配虚拟内存将程序地址空间划分为逻辑上独立的段，每个将磁盘空间作为虚拟内存的一部分，在程序运段可以拥有不同的属性，方便代码管理，但也行过程中按需加载到物理内存，可以执行更大增加了复杂度的程序，但需要额外的磁盘访问时间虚拟内存技术物理内存不足多任务处理提高效率数据交换虚拟内存技术可以解决物理内在虚拟内存技术的帮助下，操虚拟内存技术通过分页或分段虚拟内存技术在内存和磁盘之存不足问题，通过将一部分磁作系统可以加载多个程序到内机制，将程序分割成多个页面间进行数据交换，将不活跃的盘空间作为虚拟内存，扩展了存中，并为每个程序提供虚拟或段，并按需加载到内存中，页面或段交换到磁盘，以腾出系统的内存空间内存空间，实现多任务并行运减少了内存浪费，提高了系统空间给更活跃的页面或段使用行效率文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对文件进行组织、存储和访问文件管理系统为用户提供了一种方便的方式来管理数据，同时确保数据的完整性和安全性文件的概念和特性

11.数据集合

22.逻辑结构文件是存储在计算机上的相关操作系统以逻辑结构的方式组数据的集合，可以是文本、程织文件，抽象出独立的组织方序、图像、音频或视频等式，而不依赖于物理存储细节

33.命名和访问

44.属性描述文件通过文件名进行识别，操文件拥有属性描述，例如大小作系统提供访问和管理文件的、创建时间、所有者、权限等机制，保证数据完整性和安全，用于管理和控制文件使用性文件系统的结构文件系统结构1文件系统结构是指操作系统组织和管理文件的方式，它决定了文件的存储和访问方式层次结构2层次结构将文件组织成树形结构，每个目录可以包含多个子目录和文件，方便用户管理和访问文件线性结构3线性结构将文件以线性方式排列，所有文件都在同一个目录下，访问文件时需要按顺序查找，不利于文件管理磁盘管理磁盘管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和组织磁盘上的数据它包括磁盘分区、文件系统管理、磁盘空间分配、磁盘调度等方面，保证数据存储的安全性、可靠性和效率磁盘的基本概念存储介质数据访问方式磁盘是用于存储数据的存储介质它由一个或多个圆盘组成，每个磁盘数据访问方式称为顺序访问，通过磁盘控制器将数据读写到磁圆盘都有一个磁性表面，数据以磁性方式存储在表面上性表面上磁盘结构磁盘类型磁盘由磁盘盘片、磁头、驱动器和控制器组成常见的磁盘类型包括硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）和软盘（Floppy Disk）磁盘分区和阵列技术磁盘分区将硬盘划分为多个逻辑磁盘，提高磁盘管理效率和数据安全，提升系统性能磁盘阵列多个物理硬盘组成一个逻辑硬盘，提高存储容量，增强可靠性和性能数据冗余RAID技术提供数据冗余，即使硬盘损坏，也不影响数据访问，提升数据安全输入输出管理/操作系统对I/O设备的管理，提供统一的接口，方便用户使用I/O管理包括设备驱动程序、I/O中断处理、缓冲区管理、设备分配、数据传输等设备的种类和特点I/O输入设备输出设备12键盘、鼠标、扫描仪、麦克风显示器、打印机、扬声器等，等，将外部信息转换为计算机将计算机处理的结果转换成人可以识别的信号类可以理解的形式存储设备通信设备34硬盘、光盘、U盘等，用于存调制解调器、网卡等，用于与储数据和程序，可分为主存和其他计算机或网络进行数据交辅存换软件接口I/O系统调用设备驱动程序用户程序通过系统调用请求操作驱动程序是操作系统与I/O设备系统提供I/O服务，并获取系统之间的桥梁，负责控制I/O设备资源，例如打开、读取、写入、的硬件操作关闭文件I/O控制模块该模块负责管理I/O设备的分配和使用，并提供统一的接口供用户程序调用设备驱动程序硬件与软件桥梁I/O请求处理设备管理设备驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁驱动程序负责接收来自操作系统的I/O请求驱动程序负责管理硬件资源，包括分配、释，提供统一的接口供应用程序调用，屏蔽硬，并将其转化为硬件可以理解的指令放和控制硬件设备，确保不同程序访问设备件差异的协调性操作系统的安全性操作系统安全性是至关重要的，它保护着系统资源和用户数据免受攻击安全威胁包括恶意软件、网络攻击和非法访问等，操作系统需要提供安全机制来抵御这些威胁操作系统安全威胁及防御安全威胁防御措施恶意软件攻击，例如病毒、蠕虫和木马，可能损害系统文件和数安装防病毒软件和防火墙来抵御恶意软件和网络攻击据定期更新操作系统和软件以修复安全漏洞未经授权的访问可能导致数据泄露或系统故障实施访问控制策略，限制用户对系统资源的访问权限系统漏洞可能会被黑客利用，导致安全漏洞和数据丢失操作系统性能评估操作系统性能评估是衡量其效率和有效性的关键步骤性能指标包括吞吐量、响应时间、资源利用率等性能指标和评估方法CPU利用率内存利用率磁盘I/O速度网络吞吐量CPU利用率衡量的是CPU资源内存利用率反映的是系统内存磁盘I/O速度衡量的是磁盘数网络吞吐量反映的是网络数据的使用程度，较高利用率意味的有效使用情况，较高内存利据的读写效率，较低的I/O速传输速率，较低的吞吐量会影着系统繁忙，而过低利用率则用率可能导致系统性能下降，度会导致系统响应速度下降响网络应用的性能意味着资源浪费而过低利用率则意味着资源浪费操作系统的发展趋势操作系统正在不断发展，以适应不断变化的硬件和软件环境新的趋势包括云计算、移动操作系统、人工智能和物联网云计算和移动操作系统云计算移动操作系统云计算提供资源共享和弹性扩展，支持移动操移动操作系统为移动设备提供基础服务，如应作系统在云环境下运行用程序运行、网络连接和用户界面。