《操作系统原理》教学课件

《操作系统原理》教学课件操作系统的基本概念和功能定义主要功能操作系统是管理计算机硬件和软件资源的程序集合，它为用户提进程管理创建、撤销、调度、同步进程•供一个友好的使用环境，使计算机系统能够高效地运行内存管理分配、回收、保护内存空间•文件管理创建、删除、读写、组织文件•设备管理控制和分配硬件设备•用户界面提供用户与操作系统交互的接口•操作系统的定义管理资源提供用户接口执行应用程序操作系统是计算机系统中负责管理和操作系统为用户提供一个友好的界面操作系统负责加载、执行和管理应用控制计算机硬件和软件资源的软件系，用户可以通过该界面与计算机系统程序它为应用程序提供必要的资源统，它为用户提供一个抽象的、易于进行交互，例如输入命令、运行程序，并处理程序运行过程中的各种事件使用的接口，并为应用程序提供一个、查看文件等操作系统提供多种用，例如中断、异常等操作系统确保运行环境操作系统负责管理计算机户界面，包括命令行界面、图形界面应用程序能够安全、高效地运行在计系统中各种资源，包括处理器、内存、触控界面等，以适应不同的用户需算机系统中、外设、文件系统等求操作系统的主要功能资源管理用户界面进程管理操作系统负责管理计算操作系统提供用户与计操作系统负责创建、调机系统的各种资源，包算机交互的界面，例如度、终止进程，管理进括、内存、外设、命令行界面、图形用户程之间的通信，保证多CPU文件系统等它为不同界面等，方便用户操作个进程能够安全、高效的应用程序分配资源，计算机地运行并确保资源的有效利用安全保护操作系统负责保护系统资源，防止非法访问和恶意攻击，确保系统安全可靠运行操作系统的分类批处理操作系统1批处理操作系统以批次的形式执行作业，通常用于处理大量数据，例如工资单处理或科学计算它们具有效率高、资源利用率高、但交互性差的特点分时操作系统2分时操作系统允许多个用户同时使用系统，并为每个用户提供独立的交互环境它们提供良好的交互性、快速响应能力，但资源管理比较复杂实时操作系统3实时操作系统要求系统对事件做出快速、及时的响应，主要应用于工业控制、航空航天等领域它们具有高可靠性、高效率、高实时性，但开发难度较大单用户操作系统4单用户操作系统只允许一个用户使用系统，通常用于个人计算机它们具有易于使用、资源管理简单，但功能有限的特点进程管理

2.进程是操作系统中的核心概念，它是正在运行的程序的抽象进程管理是操作系统的关键功能之一，负责创建、调度和管理进程，并确保它们在系统资源上安全有效地运行进程的概念进程的状态进程调度进程是操作系统分配进程可以处于不同的进程调度算法决定了资源的基本单位，它状态，例如运行、就哪个进程将在处理器包括程序代码、数据绪、阻塞和终止操上运行，常用的调度和堆栈每个进程都作系统通过进程状态算法包括先到先服务有自己的地址空间，的转换来管理进程的、优先级调度和时间并被操作系统独立地生命周期片轮转管理进程的概念程序的执行动态性并发执行进程是程序在内存中的执行实例，它拥有进程是动态的，它们会随着时间的推移而操作系统可以通过进程调度算法来实现多自己的地址空间、系统资源和执行上下文创建、执行、暂停、终止和销毁进程的个进程的并发执行，让它们共享系统资源一个程序可以创建多个进程，每个进程生命周期可以被操作系统控制，并根据需，提高系统效率都拥有自己的独立执行环境要进行管理进程的状态及切换新建1进程刚被创建，还没有准备好运行，需要系统分配资源，如内存、文件等就绪2进程已经准备好运行，等待的分配，但还没有获得时间片CPU CPU运行3进程获得了时间片，正在执行CPU阻塞4进程因为等待某个事件，例如操作完成或其他资源，而被暂停执行，无法运行I/O终止5进程执行完毕或发生错误，被系统终止进程状态的切换指的是进程从一种状态到另一种状态的转换例如，当一个进程获得时间片后，它的状态将从就绪状态切换到运行状态；当进程等CPU待操作完成时，它的状态将从运行状态切换到阻塞状态进程状态的切换需要操作系统的管理，以保证系统的稳定性和效率I/O进程调度算法先来先服务FCFS最简单的调度算法，按照进程到达的顺序进行调度简单易实现，但可能导致短进程被长进程阻塞，降低系统效率最短作业优先SJF选择估计运行时间最短的进程优先执行能有效提高系统吞吐量，但需要准确估计进程运行时间，实际应用较难优先级调度每个进程根据重要程度分配优先级，优先级高的进程优先执行有利于提高重要进程的响应速度，但可能导致低优先级进程饥饿时间片轮转将时间分成时间片，每个进程轮流获得一个时间片，时间片结束后切换到下CPU一个进程适用于交互式系统，能保证每个进程都得到及时响应死锁问题及解决方法死锁的定义死锁产生的条件死锁是指两个或多个进程在竞争资源时，互相等待对方释放资源死锁产生的必要条件包括，导致所有进程都无法继续执行的状态就好比两辆汽车在狭窄互斥条件每个资源只能被一个进程占用•:的道路上相遇，彼此都无法前进，只能互相等待对方让路，最终占有并等待条件一个进程占有至少一个资源，并等待另一个资源都无法通过•:非剥夺条件进程不能强迫其他进程释放资源•:循环等待条件存在一个进程环，每个进程都在等待下一个进程占用的资源•:内存管理

3.内存管理是操作系统的核心功能之一，负责分配和管理计算机系统中的内存资源它确保不同的程序和进程能够安全有效地共享内存空间，并防止它们互相干扰连续分配和分页管理连续分配分页管理连续分配是将内存空间划分为若干个大小相等的区域，每个区域分页管理将程序和数据分成大小相等的页面，并将内存分成大小分配给一个进程每个进程的内存地址空间都是连续的相等的块，称为页框每个页面存储在一个页框中，可以将页面分散存储在内存中，从而实现内存的碎片化管理虚拟内存管理概念优势12虚拟内存是一种技术，它允许程序使用比实际物理内存更虚拟内存的主要优势是它允许程序运行在比物理内存更大多的内存操作系统通过将程序分成页面，并将它们存储的地址空间中，从而提高内存利用率，允许运行更多程序在磁盘上，来实现虚拟内存，并提高系统性能实现页面置换34虚拟内存通常使用分页或分段机制来实现分页将程序分当需要访问不在内存中的页面时，操作系统会从磁盘中读成大小相同的页面，并将其存储在磁盘上分段将程序分取该页面，并将其加载到内存中为了腾出空间，操作系成逻辑上的段，每个段可以有不同的长度统可能会将另一个页面从内存中换出到磁盘上页面置换算法FIFO OPTLRU先进先出算法，最早进最佳置换算法，总是选最近最少使用算法，选入内存的页面最先被替择将来最长时间不会被择最长时间没有被访问换访问的页面替换的页面替换CLOCK时钟算法，结合了FIFO和的特点，在页面LRU被访问时将其置为已“访问状态”文件管理

4.文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对系统中的文件进行组织、存储和访问控制它为用户提供了一种抽象层，使他们能够方便地管理数据，而不必直接面对复杂的物理存储设备文件概念文件组织结构文件是存储在计算机上的数据集合文件组织结构定义了文件在磁盘上，通常包含文本、程序、图像、音的排列方式，常见的结构包括顺序频或视频等信息结构、索引结构和链接结构文件的概念定义属性文件是存储在计算机存储设备上文件通常具有以下属性文件名的信息集合，它是一个有组织的、文件类型、文件大小、创建时、命名的数据集合，可以被应用间、修改时间、访问时间、访问程序读取和处理权限等类型文件可以根据其内容进行分类，例如文本文件、二进制文件、图像文件、音频文件、视频文件等文件的组织结构顺序结构索引顺序结构直接存取结构数据以线性顺序存储，访问需要从头开始在顺序结构的基础上增加索引，通过索引每个数据块都有唯一的地址，可以直接访顺序读取适合于顺序访问的数据，如文快速定位数据块，然后顺序访问数据兼问任意数据块适合于随机访问的数据，本文件顾顺序访问和随机访问如数据库文件文件的访问方式顺序访问随机访问直接访问程序按照顺序访问文件程序可以随机访问文件程序直接访问文件中的中的记录，一次只能访中的任何一条记录，不特定记录，不需要访问问一条记录，访问下一需要按顺序访问其他记录条记录必须访问完前一条记录文件系统管理文件系统组织文件访问控制磁盘管理123文件系统管理是操作系统的核心功文件系统管理还负责控制用户对文文件系统管理与磁盘管理密切相关能之一，它负责管理和组织存储在件的访问权限，以确保数据的安全，它负责将磁盘划分为逻辑分区、计算机系统中的文件文件系统通性通过设置文件访问控制，操作格式化磁盘、管理磁盘空间分配等过定义文件结构和访问方式，为用系统可以限制用户对文件的读、写操作，为文件系统提供物理存储空户提供了一种组织和管理数据的方、执行等操作，防止非法访问和数间式常用的文件系统结构包括目录据泄露结构、树形结构和网络文件系统输入输出管理

5./输入输出管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理计算机系统中各种输/入输出设备，并为应用程序提供访问这些设备的接口输入输出管理的主要//任务是协调各种设备之间的活动，并确保数据在设备之间安全可靠地传输输入输出设备的分类控制方式/I/O输入设备键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等程序控制方式由直接控制设备••CPU I/O输出设备显示器、打印机、扬声器等中断控制方式设备通过中••I/O断信号通知存储设备硬盘、软盘、光盘等CPU•控制方式通过专门的•DMA控制器控制数据传输DMA设备的分类I/O输入设备输出设备存储设备网络设备输入设备用于将外部数据或输出设备用于将计算机系统存储设备用于存储数据和程网络设备用于连接计算机系指令传递给计算机系统，例处理后的结果传递给用户或序，以便计算机系统可以随统到网络，以便进行数据传如其他设备，例如时访问它们，例如输和共享，例如键盘显示器硬盘网卡••••鼠标打印机固态硬盘路由器••••扫描仪音箱光驱交换机••••麦克风投影仪盘调制解调器•••U•摄像头•控制方式I/O程序控制方式中断控制方式方式通道控制方式DMA直接控制设备，由设备完成操作后，向通过控制器，设备通道控制器管理多个设备CPU I/O I/O CPUDMA I/O I/O执行指令，效率低，发送中断请求，中断当前直接访问内存，无需干，只需向通道控制器发出CPU I/O CPU CPUCPU无法实现并行处理程序，转而处理请求，提预，速度更快，适用于数据量指令，由通道控制器控制I/O I/O高了利用率大的操作设备，适用于大规模系统CPU I/O I/O缓冲技术减少操作次数提高数据传输效率I/O通过在内存中设置缓冲区，将缓冲区可以用于数据预处理和数据预先读入或写出，减少了格式转换，例如数据压缩或加对设备的访问次数，从而密，从而提高了数据传输效率I/O提高了系统效率支持异步I/O缓冲区可以用于实现异步操作，即可以继续执行其他任务，而无需等待操作完成I/O CPUI/O磁盘调度算法先来先服务最短寻道时间优先扫描算法循环扫描算法FCFS SSTFSCAN C-SCAN按照请求到达的顺序进行服每次选择距离当前磁头最近磁头从当前位置开始向一个类似扫描算法，但磁头到达务，简单易实现，但容易造的请求进行服务，可以减少方向移动，遇到请求就服务边界后直接跳到另一端，而成磁盘臂频繁移动，效率低磁盘臂的平均移动距离，提，到达边界后反向移动，可不是反向移动，可以更均衡下高效率，但可能造成其他请以避免长时间等待，但对接地服务所有请求，但对接近求长时间等待近边界的请求效率较低边界的请求效率较低操作系统的安全性操作系统安全性是保证系统资源安全、用户数据完整性和系统正常运行的关键，它涉及多个方面，包括身份验证、访问控制、数据加密和安全机制等身份验证访问控制确保用户身份的合法性，防止非法限制用户对系统资源的访问权限，用户或程序访问系统资源防止未经授权的操作操作系统的安全性数据机密性数据完整性确保只有授权用户可以访问敏感保证数据不被恶意修改或破坏数据例如，防止未经授权的访这涉及到保护数据的准确性和可问个人信息，财务记录或机密文靠性，以确保其可信度件系统可用性确保系统能够持续正常运行，不受攻击或故障的影响这意味着要防止系统崩溃，数据丢失或服务中断访问控制机制访问控制机制是操作系访问控制机制通常基于常用的访问控制机制包括统安全的重要组成部分用户身份和权限进行管访问控制列表•ACL，用于控制用户或进程理，每个用户或进程都每个资源都关联一对系统资源的访问权限拥有一个唯一的标识符个，用于记录ACL它通过设定规则和策，并被分配不同的访问哪些用户或进程可以略，限制用户或进程只权限这使得系统可以访问该资源以及相应能力列表每•CPL能访问其被授权的资源根据用户的角色和职责的权限个用户或进程都关联，以保护系统数据和资，限制其对特定文件、一个，用于记CPL源的完整性和机密性目录、程序、硬件设备录其可以访问哪些资等资源的访问源以及相应的权限基于角色的访问控制•将用户分RBAC配到不同的角色，并根据角色分配不同的权限加密技术对称密钥加密非对称密钥加密哈希函数对称密钥加密使用相同的密钥进行加密和非对称密钥加密使用一对密钥公钥和私哈希函数将任意长度的数据转换为固定长解密这种方法简单高效，但密钥管理较钥公钥用于加密，私钥用于解密这种度的哈希值，用于数据完整性验证和数字为复杂方法更安全，但速度较慢签名病毒防范安装杀毒软件谨慎下载文件杀毒软件可以实时监控系统，检测并清除病毒、木马等恶意程序只从可信赖的网站下载文件，避免点击来自未知来源的链接或下选择信誉良好的杀毒软件，并定期更新病毒库，以确保软件能载可疑文件在下载文件之前，可以使用杀毒软件扫描文件以确够识别最新的威胁保安全定期备份数据保持系统更新定期备份重要的数据，例如文件、照片和程序这样即使系统感操作系统和应用程序的更新通常包含安全漏洞补丁，及时更新系染病毒，也可以恢复丢失的数据统可以有效降低被病毒攻击的风险并发与协调在现代操作系统中，并发是必不可少的，多个进程或线程可以同时运行，这需要操作系统提供机制来协调这些并发活动的执行并发协调的核心问题在于如何有效地管理共享资源，避免竞争条件和死锁我们将在接下来的章节中详细讲解并发编程模型、信号量、管程以及死锁的预防和避免并发编程模型并发编程模型定义了在常见的并发编程模型包在并发编程中，需要考多任务环境中如何组织括线程模型、进程模型虑线程同步和互斥问题和执行多个任务的规则、协程模型等每个模，以避免数据竞争和死和机制它为程序员提型都有其优缺点，适合锁等问题常见的同步供了管理共享资源和协于不同的应用场景机制包括锁、信号量、调任务执行的抽象条件变量等信号量机制定义操作信号量机制是一种进程同步机制，它使用一个整数类型的变量来信号量有两个基本操作控制对共享资源的访问信号量类似于一个计数器，它可以表示如果信号量值为，则进程阻塞等待，直到信号量值•wait0可用的资源数量大于然后将信号量值减，进程继续执行01将信号量值加，如果有一个或多个进程正在阻塞•signal1等待，则唤醒其中一个进程管程机制定义特点12管程是一种高级同步机制，它管程的主要特点包括数据隐将共享数据和对该数据的操作藏、进程同步、互斥访问数封装在一起，并提供一组严格据隐藏是指只有管程内部的程控制对共享数据的访问的程序序可以访问共享数据，而外部管程提供了一种抽象的、面进程无法直接访问进程同步向对象的方式来处理并发访问是指管程提供了一组同步原语共享数据的问题，用于协调多个进程对共享数据的访问互斥访问是指一次只能有一个进程进入管程，以应用3保证对共享数据的独占访问管程机制广泛应用于操作系统、数据库管理系统、分布式系统等多个领域，例如，它可以用于实现各种同步操作，如生产者消费者问题、-读者写者问题等-死锁的预防与避免预防死锁避免死锁通过限制资源分配的顺序或条件当系统检测到潜在的死锁时，采来预防死锁例如，使用银行家取措施来避免死锁例如，可以算法可以确保资源分配不会导致回滚某个进程，释放它持有的资循环等待，从而避免死锁源，或将资源分配给其他进程死锁的检测与恢复如果发生死锁，需要检测死锁并采取措施恢复检测方法通常使用资源分配图，而恢复方法包括终止进程或剥夺资源操作系统的设计原则操作系统的设计原则旨在确保其高效、安全、可靠地运行这些原则贯穿于操作系统的各个方面，从内核结构到系统调用，都体现着这些原则的应用模块化设计可扩展性将操作系统分解为多个独立的模块操作系统应能够适应不断增长的硬，每个模块负责特定的功能这使件和软件需求，例如添加新的设备得系统易于开发、维护和调试，也驱动程序、支持新的处理器架构等便于扩展和移植模块化设计模块化设计将操作系统分解成独立的模块化设计使用接口来定义模块之间模块，每个模块负责特定的功能，例的通信方式，确保模块之间的相互独如进程管理、内存管理、文件管理等立性，即使模块内部发生了变化，只这种设计方式提高了系统的可维护要接口保持不变，其他模块就不会受性和可扩展性，因为可以独立地开发到影响、测试和更新各个模块，而不会影响其他模块可扩展性模块化设计分布式架构硬件抽象层操作系统采用模块化设计，将系统功能分现代操作系统支持分布式架构，允许系统操作系统提供硬件抽象层，隐藏底层硬件解成独立的模块，每个模块负责特定的功在多台计算机上运行，从而扩展系统的处的差异，使应用程序能够在不同的硬件平能这样可以提高代码的可读性、可维护理能力和存储容量台上运行，提高了系统的可移植性和可扩性和可扩展性展性可移植性代码可移植性应用程序可移植性操作系统应尽可能地减少对特定硬件平台的依赖，以便能够移植操作系统应提供一个统一的应用程序接口（），以便应用程API到不同的硬件平台上这可以通过使用抽象层来实现，例如硬件序可以轻松地在不同的平台上运行这可以通过使用标准库和标抽象层（），它为操作系统提供与硬件无关的接口准调用来实现，例如标准HAL POSIX可靠性错误检测与恢复容错设计操作系统需要具备强大的错误操作系统的设计应该尽可能地检测和恢复机制，以确保系统容错，即使某个组件出现故障在遇到故障时能够及时发现问，系统也能继续正常运行例题并采取措施，防止系统崩溃如，可以采用冗余设计，将关或数据丢失例如，可以使用键组件复制多个，当一个组件奇偶校验、校验和等方法检测出现故障时，其他组件可以接数据传输或存储过程中的错误替工作，保证系统的高可用性，并通过备份、日志等手段恢安全性复数据可靠的系统不仅要能够正常运行，还要保证安全性，防止恶意攻击或操作导致系统崩溃或数据泄露例如，可以使用访问控制机制、加密技术等手段保护系统资源和数据，防止未经授权的访问操作系统的发展趋势随着技术不断发展，操作系统也一直在不断演进，以满足不断变化的计算需求以下是一些重要的发展趋势实时操作系统RTOS用于需要快速响应和确定性行为的应用，例如工业控制、航空航天和医疗设备RTOS分布式操作系统分布式操作系统管理多个计算机系统，以实现更高性能、可靠性和可扩展性，例如云计算平台嵌入式操作系统嵌入式操作系统专为小型设备设计，例如智能手机、平板电脑和物联网设备云计算操作系统云计算操作系统旨在提供虚拟化的计算资源，例如虚拟机、容器和服务器，以支持云服务实时操作系统实时操作系统常用于工业控制的关键特性包括RTOS RTOSRTOS专门设计用于及时响应、嵌入式系统、航空航高实时性、确定性、可外部事件，其响应时间天等领域，例如自动驾预测性、可靠性和安全严格限制在一定范围内驶、工业机器人、医疗性设备等分布式操作系统资源共享分布式操作系统允许不同计算机上的资源共享，例如文件、打印机和数据库，从而提高资源利用率和系统性能可靠性提高通过将系统分布到多个计算机上，分布式操作系统可以提高系统的可靠性即使一台计算机发生故障，其他计算机仍然可以继续运行可扩展性强分布式操作系统可以轻松地扩展到更多计算机上，以满足不断增长的计算需求并行处理能力强分布式操作系统可以利用多个计算机同时执行任务，从而提高系统效率嵌入式操作系统特点应用领域资源受限内存、存储空间和处理能力有限智能手机、平板电脑等移动设备••实时性要求高需要快速响应事件和处理数据汽车电子、工业控制等领域••可靠性要求高需要确保系统稳定运行，避免故障物联网设备、可穿戴设备等••功耗要求低需要降低能耗，延长设备续航时间•云计算操作系统虚拟化技术分布式架构云计算操作系统通常基于虚拟化为了处理大量的用户请求和数据技术，将物理硬件资源虚拟化为，云计算操作系统采用分布式架多个逻辑资源，以提高资源利用构，将操作系统功能分散到多个率和灵活性例如，节点，提高可靠性和可扩展性Amazon使用虚拟化技术提供例如，的系统就EC2Xen GoogleBorg虚拟服务器是一个分布式操作系统服务导向云计算操作系统以服务的形式提供操作系统功能，例如存储、网络、安全等，方便用户按需使用，降低维护成本例如，提供了多种云服AWS务，如、等Amazon S3Amazon EC2。