《操作系统引论》课件

操作系统引论操作系统是计算机系统的核心组件，负责管理和控制硬件资源，并为应用程序提供运行环境课程简介课程目标课程内容学习方式本课程旨在深入探讨操作系统的基本涵盖进程管理、内存管理、文件系统通过课堂讲授、课后练习、项目实践概念、核心机制和关键技术、设备管理等核心内容，以及操作系等多种形式，帮助学生掌握操作系统统安全和保护机制原理和应用计算机体系结构硬件组成指令集数据通路软件架构计算机体系结构包含CPU、内指令集定义了处理器可执行的数据通路描述了数据在计算机软件架构定义了操作系统如何存、存储设备等硬件组件，它指令类型，决定了程序执行的系统各个组件之间传输的路径组织和管理硬件资源，为应用们共同协作执行任务效率和功能和方式程序提供服务操作系统的定义和功能定义功能操作系统是管理计算机硬件和软件资源的软件系统操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理和设备管理它为用户提供一个统一的接口，方便用户使用计算机资源它负责调度进程，分配内存，管理文件和设备，保证系统的稳定运行操作系统发展历程第一代（1945-1955）1以机器语言编程，批处理系统第二代（1955-1965）2汇编语言，多道程序设计系统第三代（1965-1980）3高级语言，分时系统，操作系统开始发展成熟第四代（1980-现在）4图形用户界面，网络操作系统，移动操作系统，云计算操作系统发展经历了从单一功能到多功能，从批处理到交互式，从集中式到分布式，从单用户到多用户，从简单的系统到复杂系统的演变操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统12批处理系统一次处理多个作业分时系统允许多个用户共享计，无需用户直接干预算机资源，并提供交互式环境实时操作系统网络操作系统34实时系统要求在特定时间范围网络操作系统管理网络资源，内对事件做出及时响应，例如支持文件共享、远程访问和通工业控制系统信进程的概念独立运行的实体动态执行过程进程是操作系统分配资源的最小单位，拥有独进程是程序在内存中的执行过程，包含程序代立的内存空间、文件资源等码、数据以及程序执行时的环境信息多任务处理并发执行操作系统可以同时运行多个进程，提高系统效多个进程可以共享CPU时间片，实现并发执行率和资源利用率，为用户提供交互式体验进程状态图进程状态图描述进程在生命周期中所处的不同状态以及状态之间的转换关系常见的进程状态包括运行态、就绪态、阻塞态•运行态进程正在CPU上执行•就绪态进程已准备好运行，但正在等待CPU资源•阻塞态进程因等待某个事件（例如I/O操作完成）而无法运行，处于阻塞状态进程控制块进程信息程序代码内存资源CPU资源包含进程标识符、进程状态、存储进程执行的指令和数据记录进程在内存中的地址空间记录进程使用的CPU时间、IO优先级等信息和分配情况时间等资源信息进程调度算法调度目标调度算法类型算法选择提高CPU利用率，缩短平均周转时间，降先来先服务（FCFS），最短作业优先（根据系统需求，选择合适的算法，例如，低系统开销，提高响应时间，保证公平性SJF），优先级调度，时间片轮转，多级实时系统更注重响应时间，批处理系统更反馈队列调度注重吞吐量进程同步问题资源共享互斥访问多个进程可能需要访问共享资源一次只有一个进程可以访问共享，例如打印机或文件资源，以防止数据不一致进程通信死锁进程需要相互通信才能协调活动多个进程互相等待对方释放资源，例如交换数据或同步操作，导致所有进程都无法继续执行临界区和互斥临界区互斥临界区是指一段代码，它访问共享资源在多线程环境中，如果互斥是指在同一时刻只有一个线程可以访问临界区互斥可以保多个线程同时访问共享资源，可能会导致数据不一致临界区就证每个线程在访问共享资源时，都能获得一致的数据是为了防止这种数据不一致而设置的同步机制信号量管程12信号量是一种常用的同步机制管程提供了一种更高级的同步，用于控制对共享资源的访问机制，它将共享资源和对资源的访问操作封装在一起互斥锁条件变量34互斥锁是一种简单的同步机制条件变量用于通知等待进程或，用于确保一次只有一个进程线程共享资源的状态变化或线程可以访问共享资源死锁概念死锁定义死锁特点死锁是指两个或多个进程因竞争•相互等待资源而陷入僵局，互相等待对方•资源不可剥夺释放资源，导致所有进程都无法•环路等待继续执行死锁危害死锁会严重影响系统性能，甚至导致系统崩溃进程无法正常运行，资源利用率降低，系统稳定性下降死锁的必要条件互斥条件占有并请求条件12每个资源只能被一个进程占用进程已经占有至少一个资源，正在请求另一个资源不可抢占条件循环等待条件34进程不能从其他进程中抢占资源存在一个循环等待的进程链，每个进程都在等待链中下一个进程占有的资源死锁的预防和避免123预防避免比较通过修改系统资源分配策略，防止死在系统运行过程中，通过动态分析系预防方法过于严格，可能导致系统资锁发生例如，一次性分配所有资源统状态，避免死锁的发生例如，银源利用率降低避免方法更灵活，但，禁止资源请求的循环依赖关系行家算法，保证系统处于安全状态需要更复杂的算法死锁的检测和解决死锁检测死锁解决死锁检测是指在系统运行过程中，通过特定的算法来判断系统中如果检测到死锁，需要采取措施来解除死锁常见的解决方法包是否存在死锁检测算法会分析系统资源分配情况，判断是否有括撤销进程、抢占资源、回滚操作等选择合适的解决方法要进程处于等待状态，并检查是否存在循环等待关系综合考虑系统性能、资源利用率和用户需求存储管理概述内存管理磁盘管理管理内存资源分配和回收管理磁盘空间分配和回收虚拟内存文件管理使用硬盘空间扩展内存容量管理文件存储、访问和组织内存分配策略连续分配分页式分配段式分配页式-段式分配连续分配是将内存空间划分分页式分配将内存和进程都段式分配将进程划分为逻辑页式-段式分配结合了分页和为若干个大小不同的区域，划分为大小相同的页面，可上的段，每个段代表程序的段式分配的优点，将进程划每个区域只能被一个进程占以将进程分散存储在不同的一个功能模块，可以方便模分成段，并将每个段再划分用页面中块化的程序设计成页这种方式简单易懂，但会导这种方式可以有效解决内存这种方式灵活，但需要建立这种方式可以实现更加灵活致内存碎片问题，浪费内存碎片问题，但需要增加页表段表来管理段映射关系，增的内存管理，但需要建立页空间来管理页面映射关系，增加加了系统开销表和段表来管理映射关系，了系统开销增加了系统开销虚拟内存概念扩大地址空间硬盘作为扩展内存页面机制虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的虚拟内存利用硬盘作为辅助存储器，将一虚拟内存采用页面机制，将程序和数据划地址空间，提高程序运行效率部分程序和数据存储在硬盘上，需要时再分为固定大小的页面，根据需要加载到内加载到内存中存中页面置换算法FIFO LRU先到先服务算法，最早进入内存最近最少使用算法，最长时间未的页面最先被替换，简单易实现被访问的页面被替换，效率更高OPT CLOCK最佳置换算法，未来最长时间不时钟算法，模拟时钟指针，指向会被访问的页面被替换，理论最页面，标记引用位，被引用置1佳但难以实现，未被引用置0，指针指向的页面被替换文件系统概述文件系统概述主要功能文件系统是操作系统中最重要的组成部文件系统主要负责以下功能:分之一它管理着存储设备上的文件和

1.文件存储和管理目录，并提供对文件的访问和管理机制

2.文件访问控制

3.文件共享和同步文件系统为应用程序提供了一个抽象的

4.文件备份和恢复接口，隐藏了底层存储设备的细节，使应用程序可以方便地创建、访问、修改

5.存储空间分配和管理和删除文件文件的基本属性文件名文件大小创建时间文件类型用于区分不同的文件，通常由以字节为单位，表示文件所占记录文件创建的时间，用于追指示文件的类型，例如文本文字母、数字和特殊字符组成用的存储空间大小踪文件的历史件、图像文件、可执行文件等文件访问方式顺序访问直接访问12从文件开头开始顺序读取或写入数据，允许用户直接访问文件任意位置，无需无法直接访问特定位置从开头逐个读取索引访问混合访问34通过索引号或键值来访问文件中的特定将以上访问方式组合使用，根据不同需记录，实现快速查找求进行选择文件目录结构树形结构单级结构最常见的目录结构形式，将所有简单易懂，所有文件都放在同一文件和目录组织成树状结构，由个目录下，没有层次结构，适用根目录开始，每个目录可以包含于小型系统子目录和文件多级结构结构复杂，允许创建多个层次的目录，便于组织和管理大量文件设备管理概述硬件管理资源分配安全保护负责管理计算机系统中的各种硬件设备，分配硬件设备给不同的进程使用操作系保护硬件设备免受非法访问和破坏操作例如磁盘驱动器、打印机、网络接口等统会根据不同的策略，例如先来先服务、系统会提供各种安全机制，例如访问控制操作系统会将这些设备抽象成逻辑设备，最短作业优先等，来决定哪些进程可以使、权限管理等，来确保设备的正常使用方便应用程序访问用哪些设备子系统结构I/O

11.用户接口

22.设备驱动程序用户程序通过系统调用与I/O特定设备驱动程序负责与特定子系统进行交互类型设备通信

33.I/O控制模块

44.设备它管理设备驱动程序、缓冲区包括磁盘、键盘、打印机等物、中断处理等理设备磁盘调度算法先来先服务算法最短寻道时间优先算法扫描算法循环扫描算法按请求到达的顺序服务，简单每次选择距离当前磁头最近的磁头从一个方向扫描到另一方磁头从一个方向扫描到另一方易实现，但可能导致磁盘臂频请求进行服务，能有效减少磁向，服务所有请求，可以避免向，服务所有请求，但到达另繁移动，性能低盘臂移动时间，但可能造成饥饥饿现象，但可能造成局部性一端后，立刻返回扫描，减少饿现象弱了空闲时间安全性和保护机制用户身份验证访问控制用户身份验证确保系统资源只被授权用访问控制机制限制用户对系统资源的访户访问常见方法包括密码验证、生物问权限，例如文件、目录、网络连接等识别验证等多因素身份验证可以增加安全性，要求访问控制列表ACL是一种常用的方法用户提供多种形式的验证信息，例如密，定义了用户或用户组对特定资源的访码和手机验证码问权限操作系统的未来发展未来操作系统将更加智能化和自动化，提升用户体验和效率，为用户提供更加个性化和智能化的服务人工智能1深度学习和机器学习技术云计算2基于云的资源分配和管理物联网3连接和管理各种智能设备边缘计算4将计算能力推向网络边缘。