《操作系统实习课程》课件

操作系统实习课程通过这门课程学习操作系统的基本原理和实现,包括进程管理、内存管理、文件管理等核心功能将理论知识与实践相结合,深入了解操作系统的工作原理课程简介课程目标课程内容实践重点课程收获通过实践操作熟悉计算机操作涵盖Linux操作系统的基本命着重实践操作,让学生亲身体验通过动手实践,学生可以深入理系统的核心功能和管理机制,培令、文件系统管理、进程管理操作系统的工作原理和管理方解操作系统的关键概念,为未来养学生的系统分析和问题解决、内存管理、输入输出管理等法专业发展奠定基础能力核心知识实习内容概述系统基础进程与线程管理1Linux2通过实习掌握Linux系统的基本学习Linux下进程和线程的创建操作和命令使用,熟悉文件系统、调度和管理,理解并解决一些、用户管理等基本概念常见的同步问题内存管理与虚拟内存文件系统与存储管理34深入了解Linux操作系统的内存学习Linux下不同类型文件系统管理机制和虚拟内存技术,掌握的实现原理,并分析磁盘I/O子系常见的页面置换算法统的工作机制实习环境准备软硬件配置1确保您的电脑拥有足够的内存、存储空间和处理能力,能够流畅运行操作系统实习所需的软件操作系统安装2根据课程要求,选择合适的Linux发行版并进行安装配置确保系统能正常启动并登录开发工具准备3安装必要的编程工具,如代码编辑器、编译器等,确保能顺利编写和运行程序发行版介绍LinuxUbuntu CentOS基于Debian的流行发行版，桌面友好基于Red HatEnterprise Linux的免，易于安装和使用适合新手和日常费发行版，适合企业级应用和服务器办公使用部署Fedora ArchLinux由Red Hat赞助的社区发行版,对新技极简灵活的滚动更新发行版,适合有一术保持前沿,适合喜欢尝鲜的用户定Linux基础的高级用户基本命令Linux导航命令文件管理如cd、ls、pwd等,能够帮助用户包括touch、rm、cp、mv等,可在文件系统中快速定位和查看文件以创建、删除、复制和移动文件系统管理软件管理sudo、service、ps等命令,用于apt、yum、dpkg等包管理工具,执行特殊权限操作、管理系统服务能够安装、升级和卸载软件和查看进程信息文件系统管理浏览文件结构利用命令行导航文件夹层次结构,了解文件系统的基本组织形式创建和删除文件掌握创建、重命名、移动和删除文件的命令,维护文件系统条井井有条权限管理设置文件和文件夹的读写权限,控制对资源的访问和修改磁盘管理查看磁盘使用情况,分区管理,挂载分区到文件系统进程管理进程创建1操作系统负责创建和管理进程进程状态2进程可处于就绪、运行、阻塞等状态进程切换3CPU通过调度算法决定运行哪个进程进程通信4进程间可通过管道、消息队列等通信操作系统核心功能之一是进程管理它负责进程的创建、状态变更、调度和切换操作系统需要确保公平合理地分配CPU资源,并保证进程之间的通信和协作掌握进程管理技能对于理解操作系统至关重要内存管理内存分配1根据程序需求动态分配内存空间内存保护2隔离不同进程的内存访问内存回收3释放不再使用的内存资源虚拟内存4通过页面交换实现内存容量扩展操作系统的内存管理模块负责合理分配和调度内存资源,确保各进程能够安全、高效地访问所需内存这包括动态内存分配、内存保护、内存回收以及虚拟内存管理等关键功能通过这些机制,操作系统能够最大化内存利用率并确保系统稳定运行输入输出管理设备管理1分配和管理输入输出设备缓冲区管理2为输入输出操作提供临时存储空间同步控制3协调输入输出操作与CPU执行错误处理4检测和纠正输入输出过程中的错误操作系统需要有效管理各种输入输出设备,提供统一的接口供应用程序使用这包括分配和管理设备,提供缓冲区来暂存数据,同步输入输出操作与CPU执行,以及处理各种错误情况良好的输入输出管理是操作系统实现高效、可靠运行的关键死锁概念及预防措施死锁概念资源分配状态图死锁预防措施死锁是指两个或多个进程因竞争资源而无法资源分配状态图展示了进程持有和请求资源•合理分配资源继续执行的局面进程相互等待,相互占用的情况,可以用来分析是否存在死锁的可能•合理设置资源申请顺序对方需要的资源,导致陷入僵局•使用死锁检测算法•采用死锁避免算法线程基础线程概念多线程优势线程创建线程是操作系统中执行的最小单位,是进程多线程可以提高程序的并发性和响应性,提可以通过系统调用、类库函数或语言特性来内部的一个执行单元每个线程都有自己的高资源利用率,增强系统的吞吐量创建线程线程创建后需要进行调度和管理程序计数器、寄存器和栈线程同步方法互斥锁条件变量通过独占访问临界区的方式确保线通过阻塞和唤醒线程的机制来协调程间的同步,避免数据冲突线程间的执行顺序信号量屏障通过计数的方式控制对共享资源的确保一组线程在达到某个状态后才访问,实现多个线程的同步继续执行,维护线程间的执行顺序生产者消费者问题-生产者生产者不断制造产品并放入缓冲区缓冲区缓冲区用于存储生产者生成的产品,并供消费者取用消费者消费者不断从缓冲区取出产品进行消费同步协调生产者和消费者需要通过互斥和同步机制协调运行,避免出现死锁或资源浪费读者写者问题-读写并发1读者-写者问题描述了多个读者和写者同时访问共享资源的场景需要确保读者和写者之间的互斥访问优先级保证2在解决这一问题时,需要确保写者优先于读者获得访问权限,以确保数据的一致性实现方法3常见的解决方案包括使用信号量、监控变量等机制来协调读者和写者之间的访问哲学家就餐问题准备就餐15名哲学家围坐在餐桌周围拿起筷子2每位哲学家都拿起左手边的筷子产生死锁3每个人都需要左右手两根筷子才能就餐寻找解决方案4如何避免死锁并确保所有人都能就餐？这个问题描述了5位哲学家围坐在餐桌周围用餐的情况每个人都需要左右手各一根筷子才能就餐,但由于每个人都先拿左手边的筷子,就会产生死锁的情况我们需要找到一种方法来避免这种死锁,确保所有人都能顺利就餐银行家算法避免死锁发生安全序列检查12银行家算法是一种用于资源分算法会检查是否存在一个安全配的算法,它能够避免系统陷入序列,即系统能够满足所有进程死锁状态的资源需求动态资源分配有效利用资源34银行家算法能够动态地为进程算法能够最大化利用系统的资分配资源,确保系统的稳定运行源,提高资源利用效率虚拟内存管理内存分配1为进程分配物理内存页面置换2将内存页面换出到磁盘缺页处理3将所需页面从磁盘加载到内存虚拟内存管理利用磁盘空间扩展了可用内存容量操作系统将物理内存分割为固定大小的页面,并将这些页面在内存和磁盘之间调度当进程访问内存时,如果页面不在内存中,就会触发缺页中断,操作系统会将该页面从磁盘加载到内存同时,为了腾出空间,还需要使用页面置换算法将一些页面换出到磁盘页面置换算法最近最少使用先进先出最优置换第二次机会LRU FIFOOPT SC根据页面最近访问的时间进行根据页面进入内存的先后顺序根据未来页面访问情况进行替在FIFO的基础上增加访问位标替换最近最少使用的页面会进行替换最早进入的页面会换会替换掉最长时间内不会记若被访问过则给第二次机被替换出去这样可以最大化先被替换出去简单易实现但被访问的页面需预测未来访会不被立即替换兼顾时间和缓存命中率效率较低问模式,实现复杂使用情况磁盘调度算法顺序调度算法最短寻道时间优先扫描算法顺序调度算法按照磁盘请求的先后顺序执行根据当前磁头位置和各请求位置,选择距离磁头从一端扫描到另一端,按照扫描方向选操作,提高磁盘利用率和平均响应时间,但可最近的下一个请求执行,减少磁头移动时间,择最近的请求,可减少磁头移动时间和平均能造成其他请求长时间等待提高磁盘吞吐量响应时间文件系统类型文件系统文件系统1FAT2NTFS简单易用,但容量和安全性较弱常见于旧版Windows和存适用于Windows操作系统,功能强大,支持大容量存储,并有完储卡设备善的权限管理文件系统文件系统3ext4APFSLinux操作系统常用的文件系统,支持日志功能,在可靠性和可Apple公司最新推出的文件系统,专为闪存设备优化,提供高性扩展性方面表现优异能和安全性文件系统实现磁盘管理操作系统需要管理硬盘等存储设备,分配和调度磁盘空间,实现文件系统的存储目录结构文件系统采用层次化的目录结构,实现文件的有效组织和管理元数据管理操作系统需要维护文件的元数据,如文件名、大小、所有者等信息访问控制文件系统提供访问控制机制,确保数据的安全性和隐私性网络基础知识网络拓扑网络协议网络设备了解常见的网络拓扑结构,如星型、总线型学习TCP/IP协议栈,包括物理层、数据链路了解常见的网络设备,如交换机、路由器、、环型等,以及它们的特点和适用场景层、网络层、传输层和应用层等各层的功能网桥等,以及它们在网络中的作用和应用场景远程登录和文件传输远程登录SSH1安全、加密的远程访问方式文件传输FTP2快速、高效的文件上传下载文件传输SFTP3结合了SSH和FTP的安全性与便捷性远程登录和文件传输是日常工作中不可或缺的技能SSH可以提供安全的远程访问,FTP则是快速高效的文件上传下载方式SFTP则融合了二者的优点,实现了安全性与便捷性的完美结合借助这些工具,我们可以高效完成各种异地协作任务容器技术概述什么是容器技术容器的基本原理容器与虚拟机的区别容器技术是一种轻量级的虚拟化方式,允许容器基于操作系统级别的虚拟化,利用Linux相比传统的虚拟机技术,容器更加轻量、启应用程序在隔离的环境中运行,不会受到外内核的命名空间和cgroups等特性,将应用动更快,资源占用更少,且可在不同环境间轻部环境的影响它具有高度的可移植性和扩程序及其依赖环境打包在一起,形成独立的松迁移,因此越来越受到欢迎展性容器镜像基本操作Docker镜像管理1学习如何拉取、管理和构建Docker镜像，为后续运行容器奠定基础容器生命周期2掌握如何创建、启动、停止和删除容器,以灵活地管理和部署应用程序网络与数据管理3了解如何为容器配置网络,以及如何持久化容器内的数据存储容器编排与编排工具集群管理1协调、调度和管理大规模容器集群服务发现2跟踪容器实例的位置和状态负载均衡3在容器实例间分配流量扩缩容4根据需求自动增减容器实例故障恢复5自动检测和修复容器故障容器编排工具能帮助我们管理大规模的容器集群,提供诸如集群管理、服务发现、负载均衡、扩缩容和故障恢复等功能主流的工具有Kubernetes、Docker Swarm和Apache Mesos等,它们都可以帮助企业简化容器化应用的部署和运维操作系统性能评测操作系统性能评测是衡量操作系统关键特性的重要环节它包括CPU、内存、磁盘、网络等资源的评估,并分析系统在各种负载下的响应时间、吞吐量等指标通过性能测试,可以找出系统瓶颈,优化系统参数,提升整体性能实习报告要求篇幅结构实习报告应当在8-10页之间，既不能过于简单笼统，也不应过于冗包括实习过程、收获、反思，条理清晰，层次分明长繁琐内容格式详细描述所完成的任务和所学知识点，并结合实际工作提出建议使用常规论文格式，注重文字表达和视觉呈现实习总结全面提升问题解决技术视野实践收获通过本次实习,我对操作系统的在实践中遇到的各种问题,如死本次实习还涉及容器技术、性通过实际操作,我对操作系统的原理和实现有了更深入的理解锁、进程同步等,让我学会运用能评测等前沿话题,拓宽了我对理解从原理转向实践,从而更好和认知从Linux命令、文件所学知识灵活应对,提高了分析操作系统发展趋势的认识,为未地将理论知识应用于解决实际管理到进程调度、内存管理,我问题和解决问题的能力来的学习和研究奠定了基础问题这为我未来从事相关工系统地掌握了操作系统的各个作奠定了坚实的基础核心组件和功能。