《操作系统Ca》课件

《操作系统》课Ca件概述本课件旨在帮助学生深入理解操作系统的基本原理和核心概念，并通过实际案例分析和练习，培养学生解决操作系统相关问题的能力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操作系统作为系统软件的核算机硬件资源以及软件资源的心，负责管理计算机系统中的程序集合，为用户提供一个友所有资源，包括硬件、软件和好的运行环境数据用户界面任务管理操作系统为用户提供了一个易操作系统负责管理用户进程，于使用的界面，例如图形界面为每个进程分配资源，并确保或命令行界面，方便用户与计进程之间能够协调运行算机进行交互操作系统的发展历程早期操作系统120世纪50年代，第一代操作系统诞生，它们主要用于批处理系统，例如IBM的OS/360分时操作系统220世纪60年代，分时操作系统出现，例如Multics和Unix，它们允许多个用户共享系统资源个人电脑操作系统320世纪80年代，个人电脑操作系统兴起，例如MS-DOS和Windows，它们为个人用户提供了易于使用的图形界面现代操作系统420世纪90年代，现代操作系统开始发展，例如Windows NT、Linux和Mac OS，它们具有更强大的功能和更友好的用户界面操作系统的基本功能数据管理进程管理用户接口安全管理操作系统负责管理系统资操作系统负责创建、调度、操作系统提供用户界面，允操作系统负责保护系统资源，包括内存、磁盘、文件同步和终止进程，确保多个许用户与系统进行交互，并源，防止非法访问和恶意攻等，并提供统一的数据访问进程能够有效地共享系统资提供命令行界面和图形界面击，并提供用户认证和访问方式源等控制等功能操作系统的基本组成内核系统调用接口系统程序操作系统核心，管理系统资源，控制硬应用程序与内核的桥梁，提供功能调为用户提供便利工具，方便操作管理件设备用提供系统调用接口，供应用程序调用例如文件操作、进程管理、内存分配例如命令解释器、编译器、编辑器等等进程管理的基本概念进程的概念进程的组成

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2.12进程是操作系统中进行资源分配和调进程通常包含程序代码、数据段、堆度的基本单位，代表一个正在执行的栈段和进程控制块（）PCB程序进程的特征进程的状态

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4.34进程具有动态性、并发性、独立性和进程在执行过程中会处于不同的状结构化的特征态，例如运行态、就绪态、阻塞态等进程的创建和终止进程的创建是操作系统分配资源和初始化进程控制块的过程这包括创建进程地址空间、加载程序代码以及设置进程状态终止进程是释放所有资源、清除进程控制块以及删除进程地址空间的过程创建1分配资源、初始化PCB运行2分配、执行指令CPU终止3回收资源、删除PCB进程的状态转换运行状态进程正在CPU上执行，占用系统资源，处于活动状态就绪状态进程已准备好运行，等待CPU的分配，但没有获得CPU的使用权阻塞状态进程因等待某事件而暂停执行，无法进行下一步操作创建状态进程正在创建过程中，分配资源和初始化数据终止状态进程已完成执行，释放资源，处于结束状态进程调度算法先到先服务优先级调度根据进程到达的顺序进行调度，简单易实根据进程的优先级进行调度，可以有效地提现，但无法根据进程的优先级进行调度高高优先级进程的响应时间，但可能导致低优先级进程长时间等待时间片轮转最短作业优先将时间分成时间片，每个进程轮流占用选择运行时间最短的进程优先执行，可以有CPU一个时间片，适合多用户环境效地提高系统效率，但需要知道每个进程的执行时间进程同步的基本问题竞态条件多个进程同时访问共享资源，结果取决于执行顺序死锁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饥饿某个进程无法获得所需的资源而一直处于等待状态，无法执行互斥与临界区的概念互斥临界区互斥是指在多任务环境中，多个进程访问共享资源时，必须保临界区是指一段代码，这段代码中访问了共享资源，需要保证证同一时间只有一个进程能够访问该资源这是为了防止数据互斥访问临界区是实现互斥的关键，因为只有在临界区内才不一致和系统错误能保证访问共享资源的安全性信号量机制的实现信号量机制是一种经典的进程同步机制，在操作系统中被广泛应用信号量定义1一个整型变量，用于表示资源数量操作P2申请一个资源，信号量减一操作V3释放一个资源，信号量加一信号量机制的实现需要解决的关键问题包括信号量的初始化、操作的原子性以及操作的原子性P V管程机制的实现定义1管程是一种高级的同步机制，它将共享资源和对该资源的操作封装在一起，提供了一种安全且可控的方式来访问共享资源结构2管程通常包含数据结构和操作该数据结构的过程，以及用于控制并发访问的同步机制，例如条件变量实现3管程可以基于语言或操作系统级别实现，通常利用信号量或其他低级同步机制来实现条件变量和互斥死锁的概念和预防死锁的定义死锁的原因死锁的预防当多个进程互相等待对方持有的资源才互斥、占有并等待、不可剥夺、循环等预防死锁的方法包括破坏死锁的四个必能继续执行时，就会陷入死锁状态待是导致死锁的四大主要原因要条件，例如破坏互斥条件或占有并等待条件死锁的检测和解决死锁检测资源回收死锁检测算法用于识别系统中如果检测到死锁，一种解决方是否存在死锁它们通过检查法是强行回收一个或多个进程系统资源和进程状态来确定是的资源，以便打破循环依赖关否满足死锁条件系，恢复系统运行进程回滚回滚是指将一个或多个进程恢复到之前的状态，释放占用的资源，以便解除死锁，但这可能导致数据丢失或性能下降内存管理的基本概念资源管理虚拟内存

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2.12内存是操作系统管理的重要虚拟内存是操作系统提供给资源之一用户程序的一种逻辑上的内存地址空间页面置换内存分配

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4.34页面置换算法是内存管理中操作系统需要为不同的进程重要的策略之一，用于决定分配内存，以便它们可以正将哪些页面从内存中移出常运行连续分配和分页管理连续分配分页管理连续分配是指将内存分配给进程，使进程的逻辑地址空间和物分页管理将进程的地址空间划分为大小相等的页面，并将其映理地址空间一一对应这样，进程可以连续访问内存，但存在射到物理内存中的页框这样，进程可以分散地存储在内存内存碎片问题，导致内存利用率低下中，提高了内存利用率，也方便了内存的管理分段管理和虚拟内存分段管理虚拟内存分段管理将程序划分为多个逻辑虚拟内存允许程序使用超过物理内段，每个段都有自己的名称和长存的地址空间，通过硬盘来扩展内度系统为每个段分配独立的内存存容量，减少内存碎片，提高内存空间，实现内存空间的共享利用率缓冲区管理和页面置换缓冲区管理页面置换算法

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2.12缓冲区管理是为了提高磁盘当内存空间不足时，需要将效率，减少等待时页面从内存中换出，页面置I/O CPU间，通过缓存数据在内存中换算法决定哪一个页面被换提高数据访问速度出常见算法

3.3常用的页面置换算法包括、、等，每个算法都有其优FIFO LRUOPT缺点，选择合适的算法可以提高系统性能设备管理的基本概念硬件资源管理和控制计算机系统包括各种硬件设设备管理是指操作系统对硬件备，如、内存、硬盘、显设备的管理和控制，包括分CPU示器等配、调度和使用等高效利用访问接口设备管理的目标是实现硬件资操作系统为用户程序提供统一源的有效利用，提高系统性的设备访问接口，屏蔽硬件差能异设备驱动程序的作用硬件抽象层硬件访问控制错误处理和性能优化设备驱动程序提供了一个标准化的接设备驱动程序负责管理硬件资源的访设备驱动程序负责处理硬件错误，提高口，使操作系统能够与各种硬件设备进问，确保不同进程能够安全有效地使用硬件性能，并提供必要的错误处理和性行通信，而无需了解硬件的细节硬件，避免冲突能优化机制磁盘管理和文件系统磁盘管理文件系统

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2.12磁盘管理负责分配和管理磁文件系统提供一种组织和管盘空间，确保数据有效存储理文件的方式，方便用户访和访问问和操作数据逻辑结构目录管理

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4.34文件系统采用逻辑结构组织目录管理负责维护文件目录文件，如顺序文件、索引文树，帮助用户快速定位和访件等，优化数据存储和访问所需文件问文件的逻辑结构顺序结构链接结构索引结构哈希结构顺序文件，数据按顺序排链接文件，每个记录都包含索引文件，使用索引表来记哈希文件，根据哈希函数对列，最简单，易于理解例指向下一个记录的指针，允录文件数据在存储器中的物数据进行散列，并使用哈希如文本文件，数据从第一个许随机访问数据数据可以理位置，提高文件访问效表来存储数据位置适用于字节到最后一个字节线性排存储在非连续的物理块中率索引表中的每个条目指快速查找数据，但存在冲突列向一个数据块问题目录管理和文件保护目录结构访问控制目录结构是树形结构，方便文件组织，用户访问控制列表（）指定用户权限，保护ACL访问文件安全密码保护数据加密密码保护文件内容，防止未授权访问加密敏感数据，增加安全性，防止数据泄露文件系统的实现文件系统是操作系统的重要组成部分，它管理着磁盘上的文件和目录文件系统接口1提供用户访问文件的接口文件系统实现2管理磁盘空间和文件结构物理设备接口3与磁盘硬件进行交互输入输出管理/设备驱动程序中断处理设备驱动程序为操作系统提供中断是硬件设备通知操作系统与硬件设备交互的接口它们事件发生的机制操作系统处隐藏了设备的复杂性，并提供理中断，并相应地处理设备请统一的访问方式求数据缓冲控制器I/O缓冲区用于临时存储数据，以控制器是专门的硬件，用于I/O便协调不同速度的设备之间的管理特定类型的设备它们负传输例如，可以将数据责控制设备的操作，并与CPU CPU写入缓冲区，然后设备慢慢读交互取高级操作系统概念云计算物联网移动操作系统人工智能操作系统云计算是近年来快速发展的物联网的普及带来了海量的移动操作系统是智能手机和人工智能操作系统是未来操一种新兴技术，它将资源池设备和数据，对操作系统提平板电脑等移动设备的核作系统发展的重要方向，它化，并通过网络提供服务出了新的挑战，需要更强的心，它需要满足低功耗、高将更加智能化，能够根据用实时性和安全性性能和易用性的要求户的需求自主学习和优化分布式操作系统资源共享分布式处理容错性多个计算机系统组成一个整体，共享资将任务分配到不同的计算机上执行，提即使部分计算机系统出现故障，整个系源，如硬件、软件和数据高系统效率和可靠性统仍然可以正常运行实时操作系统实时性要求资源管理实时操作系统必须在严格的时必须有效管理系统资源，包括内RTOS RTOS间限制内响应事件它们通常用于需要存、和外设，以确保及时响应它CPU对事件进行快速响应的关键任务应用，们还必须能够处理中断和异常，以确保例如工业自动化、航空航天和医疗设系统的稳定性和可靠性备嵌入式操作系统资源受限实时性要求

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2.12嵌入式系统通常具有有限的需要对事件做出及时响应，内存、存储空间和处理能确保系统在特定时间内完成力任务专用性强可靠性高

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4.34针对特定应用场景设计，与嵌入式系统通常用于关键任硬件密切相关，拥有定制化务，要求稳定运行，不会出的功能现故障结束语与总结本课件介绍了操作系统的基本概念、功能和实现机制，以及一些高级操作系统概念希望本课件能帮助您对操作系统有一个更深入的了解，并为后续学习打下坚实的基础。