《操作系统原理》课件

《操作系统原理》课程欢迎来到《操作系统原理》的世界！本课程旨在深入探讨操作系统的核心概念、设计原则和实现技术通过本课程的学习，你将了解操作系统在计算机系统中的关键作用，掌握进程管理、内存管理、文件系统和设备管理等核心模块的原理与方法，为未来从事系统软件开发、嵌入式系统设计等相关领域的工作奠定坚实的基础操作系统的定义和功能定义功能操作系统Operating System,OS是一种管理计算机硬件•进程管理创建、调度和终止进程与软件资源的系统软件，是计算机系统的核心它位于硬•内存管理分配和回收内存资源件之上，所有其他软件之下，是用户与计算机硬件之间的•文件系统组织、存储和管理文件接口•设备管理控制和管理计算机的各种输入/输出设备•用户接口提供用户与计算机交互的方式操作系统有效地管理计算机资源，为用户提供方便快捷的服务，是现代计算机系统不可或缺的组成部分操作系统的演化历程手工操作阶段1早期计算机没有操作系统，用户直接操作硬件，效率低下批处理系统2将多个作业批量处理，提高了计算机的利用率，但缺乏交互性分时系统3允许多个用户同时使用计算机，提高了响应速度，增强了交互性实时系统4能够及时响应外部事件，适用于控制系统等对时间要求严格的场景现代操作系统5集成了批处理、分时和实时等特性，功能强大，应用广泛操作系统的发展历程是计算机技术不断进步的缩影，每一次演化都伴随着计算机性能的提升和应用领域的拓展操作系统的结构与层次单内核结构1操作系统的所有模块都在同一个内核空间运行，效率高，但稳定性较差微内核结构2内核只包含最核心的功能，其他模块作为用户进程运行，稳定性好，但效率较低混合内核结构3结合了单内核和微内核的优点，既保证了效率，又提高了稳定性，是目前主流的操作系统结构层次结构4操作系统可以分为多个层次，每一层只依赖于下一层，提高了可维护性和可扩展性不同的操作系统结构和层次各有优缺点，选择合适的结构和层次取决于具体的应用场景和需求进程的概念与生命周期进程概念生命周期资源分配进程是程序的一次执进程的生命周期包括操作系统为每个进程行过程，是操作系统创建、运行、阻塞、分配必要的资源，如进行资源分配和调度就绪和终止等状态内存、CPU时间等，的基本单位每个进进程在不同的状态之保证进程的正常运行程都有自己的独立地间切换，完成程序的址空间执行理解进程的概念和生命周期是理解操作系统工作原理的基础，也是进行进程管理和调度的前提进程的状态切换就绪状态进程已获得除CPU以外的所有资源，等待CPU的调度运行状态进程正在CPU上运行阻塞状态进程因等待某个事件发生而暂停运行，如等待I/O完成进程在就绪、运行和阻塞等状态之间切换，状态切换需要消耗一定的系统资源合理的进程调度算法可以减少状态切换的次数，提高系统效率进程的同步与互斥同步互斥多个进程为了完成一项任务多个进程不能同时访问共享而协调工作，需要按照一定资源，当一个进程访问共享的顺序执行，这种协调关系资源时，其他进程必须等待称为同步，这种关系称为互斥临界区访问共享资源的代码段称为临界区，需要采取一定的措施保证临界区的互斥访问进程同步与互斥是并发程序设计中非常重要的概念，合理的同步与互斥机制可以保证程序的正确性和效率经典的进程同步问题目的种类经典的进程同步问题是用于研究和验证进程同步机制的典•生产者-消费者问题型案例，通过解决这些问题，可以更好地理解和掌握进程•读者-写者问题同步与互斥的原理和方法•哲学家就餐问题这些问题虽然抽象，但反映了实际并发程序设计中常见的同步问题，具有重要的理论和实践价值生产者消费者问题-消费者2负责从缓冲区取出数据并消费生产者1负责生产数据，并将数据放入缓冲区缓冲区用于存放生产者生产的数据，供消3费者消费生产者和消费者之间需要通过同步机制保证缓冲区的互斥访问，防止数据丢失或错误常用的同步机制包括信号量和互斥锁读者写者问题-写者1可以修改共享数据，但必须互斥访问读者2可以读取共享数据，允许多个读者同时访问共享数据3读者-写者问题需要保证写者之间的互斥访问，以及读者与写者之间的互斥访问常见的解决方案包括优先读和优先写两种策略哲学家就餐问题筷子1哲学家之间的共享资源哲学家2需要同时拥有两根筷子才能进食餐桌3哲学家就餐问题描述了多个哲学家竞争有限的资源，可能导致死锁的场景解决该问题需要避免死锁的发生，常用的方法包括资源排序、超时重试等进程调度算法调度准则算法类型•CPU利用率尽可能使CPU处于忙碌状态•先来先服务FCFS•吞吐量单位时间内完成的进程数量•短作业优先SJF•周转时间进程从提交到完成的时间•最高优先级优先Priority Scheduling•等待时间进程在就绪队列中等待的时间•时间片轮转Round Robin•响应时间用户提交请求到系统首次响应的时间进程调度算法是操作系统内核的重要组成部分，负责选择下一个要运行的进程，不同的调度算法会影响系统的性能和用户体验先来先服务FCFS原理优点按照进程到达的先后顺序进简单易实现，公平性好行调度，先到达的进程先运行缺点对长作业有利，对短作业不利，可能导致平均周转时间较长FCFS算法适用于批处理系统，不适用于交互式系统短作业优先SJF原理优点选择运行时间最短的进程进平均等待时间、平均周转时行调度，可以有效缩短平均间最小，系统吞吐量高周转时间缺点需要预知进程的运行时间，可能导致长作业饥饿SJF算法是一种最优调度算法，但难以在实际系统中实现，因为无法准确预知进程的运行时间最高优先级优先PriorityScheduling原理优点为每个进程分配一个优先级可以灵活地控制进程的执行，选择优先级最高的进程进顺序，满足不同的需求行调度缺点可能导致低优先级进程饥饿，需要合理的优先级分配策略优先级可以静态分配或动态调整，动态调整可以避免低优先级进程饥饿时间片轮转Round Robin轮转每个进程在一个时间片内运行，时2间片用完后切换到下一个进程时间片1将CPU时间划分为固定大小的时间片就绪队列所有就绪进程按照FIFO的原则排队3时间片轮转算法适用于分时系统，可以保证每个进程都能获得CPU时间，提高系统的响应速度虚拟内存概念定义优点虚拟内存是一种内存管理技术，它将程序的逻辑地址空间•扩大了程序的可用内存空间与物理地址空间分离，允许程序使用大于物理内存的空间•提高了内存利用率•方便了多道程序并发执行虚拟内存技术是现代操作系统的重要组成部分，它有效地解决了物理内存不足的问题，提高了系统的性能和稳定性页式虚拟内存管理页表1用于将逻辑页号转换为物理块号页面2将逻辑地址空间划分为固定大小的页面物理块3将物理内存划分为相同大小的物理块页式虚拟内存管理将程序的逻辑地址空间和物理地址空间都划分为固定大小的页面和物理块，通过页表实现逻辑地址到物理地址的转换段式虚拟内存管理段表1用于将逻辑段号转换为物理地址段2将逻辑地址空间划分为长度可变的段段式虚拟内存管理将程序的逻辑地址空间划分为长度可变的段，每个段代表一个逻辑实体，如代码段、数据段等页面置换算法目的算法类型当物理内存不足时，需要将一些页面置换出去，腾出空间•最佳置换算法OPT给新的页面使用页面置换算法决定了置换哪些页面•先进先出FIFO•最近最少使用LRU•时钟算法Clock不同的页面置换算法的性能差异较大，选择合适的算法可以有效提高系统的性能最佳置换算法OPT原理优点置换未来最长时间内不会被缺页率最低访问的页面，可以达到最低的缺页率缺点需要预知未来的页面访问情况，无法在实际系统中实现OPT算法是一种理想的页面置换算法，可以作为其他算法的性能比较标准先进先出FIFO原理优点置换最先进入内存的页面，实现简单简单易实现缺点性能较差，可能出现Belady现象，即增加物理块的数量反而导致缺页率上升FIFO算法的性能不稳定，不适用于对性能要求较高的系统最近最少使用LRU原理优点置换最近最长时间未被使用性能较好的页面，基于局部性原理，性能较好缺点实现复杂，需要记录每个页面的访问时间LRU算法是一种常用的页面置换算法，但实现成本较高时钟算法Clock访问位每个页面都有一个访问位，表示页2面是否被访问过指针1指向当前要检查的页面扫描扫描内存中的所有页面，如果访问位为0，则置换该页面；否则，将访3问位设置为0，继续扫描时钟算法是LRU算法的一种近似实现，实现简单，性能较好，是一种常用的页面置换算法文件系统的概念定义功能文件系统是操作系统中用于组织、存储和管理文件的模块•文件组织将文件组织成目录树结构，它为用户提供了一个逻辑的文件组织方式，方便用户访•文件存储在磁盘等存储介质上存储文件数据问和管理数据•文件访问提供文件读写接口•文件保护保证文件的安全性，防止非法访问文件系统是操作系统的重要组成部分，它为用户提供了一个方便、高效、安全的文件管理机制文件系统的结构用户接口1文件目录2基本文件系统3控制4I/O存储介质5文件系统通常采用层次结构，从上到下依次为用户接口、文件目录、基本文件系统、I/O控制和存储介质每一层负责不同的功能，共同完成文件的组织、存储和管理文件的逻辑结构无结构文件1文件内容是一系列字节的集合，由用户自行解释有结构文件2文件内容按照一定的结构组织，如记录式文件、索引文件等文件的逻辑结构决定了用户如何访问和组织文件中的数据文件的物理结构连续分配链接分配索引分配为每个文件分配连续的磁盘块，简单为每个文件分配离散的磁盘块，通过为每个文件建立一个索引表，记录文易实现，但容易产生磁盘碎片指针将各个块链接起来，可以有效利件所有磁盘块的地址，可以有效支持用磁盘空间，但随机访问效率较低随机访问，但需要额外的存储空间文件的物理结构决定了文件在磁盘上的存储方式，不同的物理结构会影响文件的访问效率和磁盘空间的利用率文件的存取方式顺序存取随机存取索引存取按照文件中数据的顺可以访问文件中的任通过索引表快速定位序进行访问，适用于意位置，适用于需要文件中的数据，适用顺序处理的文件频繁进行随机访问的于需要高效随机访问文件的文件文件的存取方式取决于文件的逻辑结构和物理结构，以及用户的访问需求文件的保护与共享访问控制加密限制用户对文件的访问权限对文件内容进行加密，防止，防止非法访问未经授权的访问共享允许多个用户共享文件，但需要保证文件的安全性和一致性文件的保护与共享是文件系统的重要功能，需要采取有效的措施保证文件的安全性和可靠性设备管理的基本概念定义功能设备管理是操作系统中用于管理计算机系统中各种输入/输•设备分配为进程分配所需的设备出设备的模块，它负责设备的分配、驱动、控制和回收•设备驱动提供设备驱动程序，控制设备的运行•设备控制控制设备的运行，完成数据的输入/输出•设备回收回收进程使用完毕的设备设备管理是操作系统的重要组成部分，它有效地管理计算机系统的各种输入/输出设备，为用户提供方便快捷的设备使用服务设备的分类与特点按传输速率1低速设备、中速设备、高速设备按共享属性2独占设备、共享设备、虚拟设备按信息交换单位3字符设备、块设备不同的设备具有不同的特点，需要采用不同的管理策略设备的逻辑结构物理设备名1设备的物理地址，由硬件决定逻辑设备名2用户使用的设备名称，与物理设备无关，方便用户使用操作系统通过逻辑设备名来管理设备，屏蔽了底层硬件的差异，提高了系统的可移植性设备驱动程序中断处理1控制2I/O设备初始化3设备驱动程序是操作系统内核的一部分，负责控制设备的运行，完成数据的输入/输出设备驱动程序通常包括设备初始化、I/O控制和中断处理等模块缓冲技术目的类型提高I/O设备的利用率，缓和CPU与I/O设备之间速度不匹•单缓冲配的矛盾•双缓冲•循环缓冲缓冲技术是一种常用的I/O优化技术，通过在内存中设置缓冲区，可以减少I/O操作的次数，提高系统的性能磁盘调度算法目的类型提高磁盘I/O的效率，减少磁盘的平均寻道时间•先来先服务FCFS•最短寻道时间优先SSTF•扫描算法SCAN•循环扫描算法C-SCAN磁盘调度算法是操作系统内核的重要组成部分，负责选择下一个要访问的磁盘扇区，不同的调度算法会影响磁盘I/O的效率先来先服务FCFS原理优点缺点按照磁盘I/O请求到达的先后顺序公平性好效率较低，可能导致磁头频繁移进行调度，简单易实现动，增加寻道时间FCFS算法适用于磁盘I/O请求较少的系统最短寻道时间优先SSTF原理优点选择距离当前磁头位置最近平均寻道时间最短的磁盘I/O请求进行调度，可以有效缩短平均寻道时间缺点可能导致距离磁头较远的请求饥饿SSTF算法是一种贪心算法，可以获得较好的性能，但公平性较差扫描算法SCAN请求处理在磁头移动的过程中，处理所有经2过的磁盘I/O请求磁头移动1磁头按照一个方向移动，直到到达磁盘的边缘反向移动到达磁盘边缘后，磁头反向移动，3继续处理请求SCAN算法可以保证所有磁盘I/O请求都能得到处理，避免饥饿现象，但对磁盘两端的请求不太公平循环扫描算法C-SCAN请求处理在磁头移动的过程中，处理所有经2过的磁盘I/O请求磁头移动1磁头按照一个方向移动，直到到达磁盘的边缘快速返回到达磁盘边缘后，磁头快速返回到3磁盘的起始位置，继续扫描C-SCAN算法避免了SCAN算法对磁盘两端请求的不公平，提高了磁盘I/O的效率操作系统的引导过程启动BIOS计算机启动时，BIOS程序首先运行，进行硬件自检和初始化加载MBRBIOS程序将控制权交给MBR（主引导记录），MBR位于磁盘的第一个扇区操作系统加载MBR程序加载操作系统内核，并将控制权交给操作系统内核操作系统的引导过程是计算机启动的关键步骤，它负责将操作系统内核加载到内存中，并启动操作系统内核初始化内存管理初始化进程管理初始化12初始化内存管理模块，包初始化进程管理模块，包括页表、物理内存分配等括进程控制块、进程调度等设备管理初始化3初始化设备管理模块，包括设备驱动程序、中断处理等内核初始化是操作系统启动的重要步骤，它负责初始化操作系统的各个核心模块，为操作系统的正常运行奠定基础进程管理初始化进程调度1进程控制块2初始进程3进程管理初始化包括创建初始进程、初始化进程控制块和进程调度等初始进程是操作系统的第一个进程，负责创建其他进程，并启动系统的各个服务内存管理初始化页表初始化物理内存分配虚拟内存管理初始化页表，建立逻辑地址到物理地初始化物理内存分配，管理物理内存初始化虚拟内存管理，实现虚拟内存址的映射关系的使用的功能内存管理初始化包括页表初始化、物理内存分配和虚拟内存管理等内存管理是操作系统的核心模块，负责管理内存资源，为进程提供内存空间设备管理初始化驱动加载中断处理设备注册加载设备驱动程序，控制设备的运行初始化中断处理程序，处理设备的中注册设备，将设备信息添加到系统中断请求设备管理初始化包括加载设备驱动程序、初始化中断处理程序和注册设备等设备管理是操作系统的核心模块，负责管理计算机系统的各种输入/输出设备文件系统初始化挂载根文件系统文件系统检查文件系统缓存将根文件系统挂载到系统中，提供文检查文件系统的一致性，修复错误初始化文件系统缓存，提高文件访问件访问服务速度文件系统初始化包括挂载根文件系统、检查文件系统和初始化文件系统缓存等文件系统是操作系统的核心模块，负责管理文件，为用户提供文件访问服务总结与展望课程总结1本课程介绍了操作系统的基本概念、设计原则和实现技术，包括进程管理、内存管理、文件系统和设备管理等核心模块未来展望2随着计算机技术的不断发展，操作系统也在不断演进，未来操作系统将更加智能化、安全化和云化希望通过本课程的学习，你能够掌握操作系统的核心原理和技术，为未来的学习和工作打下坚实的基础感谢大家的参与！。