《操作系统原理导论》课件

操作系统原理导论操作系统是计算机系统中最基本、最重要的软件组件它负责管理计算机硬件资源，为上层应用程序提供服务和支持本课程将全面系统地介绍操作系统的工作原理和核心概念操作系统概述操作系统是计算机系统的核心组件负责管理硬件资源并为应用程序提供服务,它是连接用户和硬件的关键桥梁扮演着至关重要的角色操作系统的主要功能,包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等确保计算机系统高效、安全,、稳定地运行从早期的单任务操作系统到如今功能强大的多任务操作系统操作系统的发展历,程见证了计算机技术的飞速进步现代操作系统不仅提供基本的计算资源管理,还增加了丰富的用户交互界面和强大的应用程序支持操作系统的定义和功能定义核心功能操作系统是一种基本软件它为操作系统的主要职责是管理计算,计算机硬件和软件程序提供管理机资源如内存、处理器、磁盘,和协调服务和输入输出设备服务提供用户界面操作系统为应用程序提供各种服现代操作系统还提供了友好的用务如文件管理、进程管理和安户图形界面方便用户与计算机,,全性保护等交互操作系统的发展历程年代19451最初的计算机系统仅能执行单一任务年代19502引入批处理操作系统，实现多任务处理年代19603出现分时操作系统和实时操作系统年代19704微处理器的出现带来个人计算机革命操作系统的发展历程经历了从最初的单任务计算机到批处理系统、分时系统、实时系统以及个人计算机操作系统的变迁这些变革不断提高了操作系统的功能和性能满足了用户日益增长的计算需求,操作系统的体系结构内核模式用户模式分层架构操作系统的核心部分是内核负责管理系统普通应用程序运行在较低特权级别的用户模操作系统采用分层的结构设计底层为硬件,,硬件资源、进程调度、内存管理等关键功能式中通过系统调用与内核进行交互完成各资源上层依次为内核、系统服务、应用程,,,内核运行在特权级别的内核模式中种操作系统服务序各层之间通过接口进行交互,操作系统的分类基于系统结构基于任务支持基于资源管理基于开放程度分为单用户操作系统和多用户分为批处理操作系统、时分操分为通用操作系统和专用操作分为开源操作系统和专有操作操作系统单用户系统如作系统和实时操作系统批处系统通用系统管理通用计算系统开源系统代码公开共享，多用户系统如理用于大批任务处理，时分支资源，专用系统针对特定应用，专有系统受版权限制Windows和持多任务交替执行，实时快速优化资源配置Linux Unix响应进程管理概述进程是操作系统中最基本的实体单位进程管理是操作系统的核心功能之一涉,及进程的创建、切换、同步和调度等关键机制合理的进程管理可以提高系统资源利用率和响应速度确保任务高效、公平地运行,进程的状态和切换就绪状态1进程已获得所有所需的资源可立即执行,运行状态2进程正在上执行指令CPU阻塞状态3进程等待某个事件或资源暂时无法执行,终止状态4进程已完成或出错而结束执行操作系统通过进程调度算法在这些状态之间切换进程确保各个进程均能得到合理的时间提高系统的整体利用率和响应能力这种进程切换是,,CPU,透明的不会影响到正在运行的进程,进程同步和互斥进程同步互斥机制同步原语死锁问题多个进程之间协调行动确保共通过加锁等方式确保同一时间操作系统提供的一些同步机制由于资源分配不当导致的进程,,,享资源的安全访问避免冲突和只有一个进程可以访问临界区如信号量、互斥量、条件变量永远无法完成的情况需要采取,,竞争条件资源等预防措施死锁问题及其解决死锁的定义死锁的必要条件在操作系统中死锁是指两个或多个进程因相互等待对方持有的资源资源独占、不可抢占、循环等待和持有并等待这四个条件必须同时,而无法继续执行的情况满足才会产生死锁死锁的解决方法银行家算法主要包括预防、避免、检测和解除死锁等策略需要操作系统开发者一种基于资源分配状态的死锁避免策略通过动态检查资源分配情况,,和用户共同配合来预防死锁发生内存管理基本概念内存管理是操作系统的核心功能之一它负责分配和回收系统内存资源确保进,程能够安全、高效地使用内存了解内存管理的基本概念对于深入理解操作系统的工作原理十分重要连续分配内存管理方式连续分配首次适应算法将内存空间划分为大小相同的块从头开始搜索可用空间分配第一,,应用程序被分配到连续的内存块个满足需求的空间块中最佳适应算法循环首次适应算法搜索所有可用空间块选择最小但从上次分配的位置开始搜索找到,,足够大的空间块进行分配第一个满足需求的空间块进行分配页式和段式内存管理页式内存管理段式内存管理页式和段式的比较将连续的物理内存空间划分为将程序和数据划分为可变长度页式管理简单灵活段式管理,固定大小的页面块通过页表的段段表保存段的逻辑地址更适合程序的逻辑结构两种维护逻辑页地址和物理页地址和物理地址的对应关系可根方式可以结合使用形成更强,的映射关系支持按需调页和据程序特点优化内存分配大的分段页式内存管理机制虚拟内存管理虚拟内存管理虚拟地址空间页面调度算法12虚拟内存通过将物理内存分成多个页面来实现每个进程拥有操作系统使用页面调度算法将页面在内存和磁盘之间进行交,独立的虚拟地址空间换以满足进程内存需求,页面置换策略内存管理单元34当内存不足时操作系统会使用页面置换策略从内存中移除某硬件中的内存管理单元负责将虚拟地址转换为物理地,MMU些页面为新页面腾出空间址支持虚拟内存管理,,文件系统概述文件系统是操作系统中管理和组织文件的核心部分它为用户提供一种简单、统一的文件存储和访问方式确保文件的安全性和可靠性,文件的基本属性和操作文件属性基本操作文件具有文件名、创建时间、修改时操作系统提供了创建、打开、读写、间、大小、权限等基本属性这些属删除等基本文件操作这些操作是文性描述了文件的基本信息件管理的基础高级操作文件查找除了基本操作外文件系统还支持复制操作系统提供了基于文件名、内容等,、移动、重命名等高级操作帮助用户条件的文件查找功能帮助用户快速定,,更好地管理文件位需要的文件目录管理层次化目录结构创建和管理目录目录访问控制操作系统通常采用层次化的目录结构来组织用户可以创建、删除和重命名目录，对文件操作系统可以设置目录的访问权限控制不,和管理文件，便于用户快速查找和访问所需进行分类存储操作系统提供丰富的目录管同用户对目录的读写等操作保护文件安全,文件理功能磁盘空间管理磁盘分区管理文件系统管理12合理划分磁盘分区可以提高磁设计高效的文件系统结构可以盘空间利用率和系统性能简化文件存储和访问磁盘配额管理磁盘碎片整理34针对不同用户或应用设置合理定期进行磁盘碎片整理可以优的磁盘配额可以防止资源被滥化磁盘访问效率,用设备管理概述操作系统需要管理各种硬件设备包括、内存、磁盘等设备管理是操作系,CPU统的重要功能之一负责为用户程序和应用提供设备访问的统一接口,中断机制中断产生中断响应当外围设备或内部事件需要引起在执行当前程序时会暂停当前工CPU CPU,注意时就会产生中断信号作并转而执行中断服务程序,定时中断异常中断操作系统利用时钟中断实现时间片轮当发生除零错误、内存访问越界等异转调度保证各进程公平运行常情况时会触发异常中断,,输入输出系统输入设备输出设备包括键盘、鼠标、扫描仪等将用包括显示器、打印机、扬声器等,,户操作或外部信息转换为计算机将计算机处理的信息呈现给用户可识别的数字信号管理缓冲区管理I/O操作系统负责管理输入输出设备操作系统管理输入输出数据在内的调度和控制保证设备高效运行存和设备之间的缓冲提高整体性,,能作业管理和调度作业管理调度算法实时调度操作系统负责管理进程的生命周期包括作操作系统采用各种调度算法如先到先服务对于实时系统操作系统需要满足严格的时,,,业的创建、监控和终止对于每个作业操、最短作业优先、时间片轮转等以实现公间要求采用优先级调度、周期性调度等特,,,作系统分配资源并确保高效运行平、高效的资源分配和利用殊机制以确保关键任务能够及时完成安全性和保护机制身份验证访问控制加密技术审计机制通过用户名和密码等手段验证根据用户角色和权限划分限利用加密算法和密钥对系统数记录和监控用户行为定期分,,用户身份确保只有授权人员制用户对系统资源的访问和操据进行加密确保数据在传输析审计日志及时发现和防范,,,才能访问系统资源作防止非法行为和存储过程中的机密性安全隐患,操作系统性能评价指标99%可靠性系统可用性和稳定性的衡量指标95%响应时间用户请求到系统反馈的速度100K吞吐量系统在单位时间内的处理能力操作系统的性能评价指标包括可靠性、响应时间和吞吐量可靠性衡量系统的可用性和稳定性,响应时间反映用户请求到系统反馈的速度,吞吐量则表示系统在单位时间内的处理能力这些指标直接影响用户体验和系统效率实时操作系统实时操作系统是一种特殊类型的操作系统它能够在严格的时间约束下及时完成,任务处理这种系统在工业控制、航空航天、医疗设备等领域广泛应用对延迟,和响应时间有严格的要求嵌入式操作系统嵌入式操作系统是专门为嵌入式设备设计的轻量级操作系统它们具有高度的实时性、可靠性和资源受限的特点广泛应用于工业控制、家电、汽车电子等领域,分布式操作系统分布式操作系统是一种将计算机系统的硬件和软件资源分散于多个互相独立的节点上的操作系统它通过提供系统集成和资源共享等功能来提高整体系统的可靠性和可用性云计算和操作系统云计算的兴起操作系统的挑战操作系统新功能未来展望近年来云计算技术的发展改云环境下操作系统需要实现云操作系统需要提供虚拟化管随着云计算的持续发展操作,,,变了传统的架构操作系统高度的可扩展性和弹性以支理、容器管理、负载均衡、自系统将与云服务深度融合共IT,,需要适应这一新环境提供更持大规模的虚拟化和动态资源动伸缩等功能支持云端应用同推动架构的变革和应用的,,IT加灵活和动态的服务分配的部署和运行创新未来操作系统的发展趋势云计算无处不在物联网时代来临人工智能的广泛应用未来操作系统将与云计算深度融合以提供随着物联网技术的发展操作系统将管理更未来操作系统将嵌入更强大的人工智能算法,,灵活、可扩展的计算能力云服务将成为标多种类的智能设备实现各种设备之间的互能够主动学习和优化系统性能提高用户体,,,准配置用户可随时获取所需资源联互通和信息共享验,总结与展望操作系统发展历程关键技术创新操作系统从基础的批处理系统发虚拟内存、并发控制、文件系统展到现代的分布式云计算系统不等技术持续突破为操作系统带来,,断演化以适应技术进步和用户需新功能和性能提升求未来发展趋势人工智能、物联网、边缘计算等新兴技术将深度融合操作系统促进其向更,智能、更分布式的方向演进。