《操作系统ch》课件

操作系统概论本课程介绍操作系统的基本概念、原理和实现技术操作系统的功能和特点管理系统资源提供用户接口操作系统负责管理计算机系统操作系统为用户提供与计算机的所有资源，包括、内存系统交互的接口，方便用户使CPU、外设和文件等用计算机提供程序运行环境操作系统为程序运行提供必要的环境，例如内存分配、文件系统和网络连接等操作系统的发展历程1940s1早期的计算机系统没有操作系统，程序员直接与硬件打交道1950s2批处理操作系统出现，提高了计算机利用率，但缺乏交互性1960s3分时操作系统出现，实现了人机交互，并发展了多道程序设计技术1970s4实时操作系统出现，用于控制实时应用，如工业控制系统和航空航天系统1980s5个人计算机操作系统出现，如和，为个人用户提供了MS-DOS MacOS友好的操作界面1990s6图形用户界面操作系统出现，如和，带来了更加直观的Windows Linux操作体验2000s至今7移动操作系统和云操作系统兴起，满足了移动互联网和云计算的应用需求操作系统的五大核心组件进程管理内存管理负责创建、撤销、调度和管理进程，负责分配和回收内存资源，并为进程以及进程间的通信和同步提供地址空间，解决内存碎片问题文件管理设备管理负责文件存储、组织、访问和保护，负责管理系统中的各种硬件设备，为提供文件系统的功能用户提供统一的设备访问接口进程的基本概念和状态进程的定义进程的组成进程的状态进程是指一个正在执行的程序的实例，进程主要由程序、数据和进程控制块（进程在其生命周期中会经历不同的状态它是操作系统进行资源分配和调度的基）三部分组成，如运行状态、就绪状态、阻塞状态等PCB本单位进程调度算法先来先服务最短作业优先优先级调度时间片轮转FCFS SJF最简单的一种算法，按照进程选择预计运行时间最短的进程根据进程的优先级进行调度，将时间分成多个时间片，每个到达的顺序进行调度进行调度，能有效提高系统吞优先级高的进程优先执行进程轮流获得一个时间片，以吐量实现公平性进程同步与互斥同步互斥多个进程在执行过程中，由于需多个进程需要访问同一个共享资要共享某些资源或数据，必须按源，但同一时刻只能允许一个进照一定的顺序进行访问，以确保程访问该资源，以避免数据冲突数据的一致性和完整性例如，例如，多个进程需要访问同一两个进程需要访问同一个文件，个打印机，但同一时刻只能有一其中一个进程正在写入数据，另个进程使用打印机一个进程则需要等待前一个进程写入完成后才能读取数据进程通信机制共享内存消息传递管道多个进程可以访问同一块内存区域，实进程之间通过发送和接收消息进行通信使用管道作为进程间通信的通道，实现现数据交换，支持同步和异步通信数据流的单向或双向传输内存管理的基本概念内存分配内存保护内存管理策略操作系统负责将程序和数据加载到内操作系统要保护内存，防止进程访问操作系统需要选择合适的内存管理策存中，并将内存分配给不同的进程和其他进程的内存区域，确保系统安全略，例如分页、分段或虚拟内存，以线程，以确保它们之间不会互相干扰性和稳定性提高内存利用率和系统性能连续分配和分页管理连续分配将内存空间连续分配给进程，简单易实现分页管理将内存空间分成固定大小的页，进程的逻辑地址空间被分成页面，物理地址空间被分成页框，页面和页框可以不连续分配优缺点比较连续分配效率低，内存利用率低，而分页管理效率高，内存利用率高，但实现复杂度高虚拟内存的基本原理内存空间扩展页面置换将磁盘空间作为内存空间的扩展，允当程序需要访问内存中不存在的页面许程序使用比物理内存更大的地址空时，操作系统会从磁盘中调入该页面间，但实际运行时只加载程序的一部，并替换内存中的其他页面，以保证分到内存中内存空间的有效利用虚拟地址转换访问内存时使用的是虚拟地址，CPU操作系统通过地址转换机制将其转换成物理地址，实现对虚拟内存的访问分页系统的页面置换算法最佳置换算法先进先出算法12选择将来最长时间不会被访问淘汰最先进入内存的页面，实的页面进行替换，性能最优现简单最近最少使用算法时钟算法34选择最近最少使用的页面进行在先进先出算法的基础上添加淘汰，性能较好引用位，有效提高命中率外存储器的基本结构磁盘闪存磁带磁盘由磁性材料制成，分为多个磁道，每闪存是一种非易失性存储器，具有读写速磁带是一种顺序存储器，具有存储容量大个磁道又分为多个扇区，每个扇区可以存度快、体积小、耐用等优点，常用于存储、价格低廉等特点，常用于备份数据储一定数量的字节卡、盘等U磁盘调度算法磁盘调度算法是操作系统中用于管理当多个进程同时请求访问磁盘时，操磁盘访问请求的一种算法作系统需要决定哪个进程的请求先被处理不同的调度算法对磁盘访问效率有不同的影响，例如平均寻道时间、磁盘吞吐量等文件系统的基本概念层次结构逻辑结构文件系统采用层次结构组织文件文件系统定义文件在逻辑上的组，类似于树状结构，方便管理和织方式，如顺序文件、索引文件访问文件等物理结构文件系统定义文件在物理存储器上的组织方式，如连续分配、链接分配等文件的逻辑结构顺序结构链接结构12信息按照顺序存储，读取时也文件由若干数据块组成，各块按顺序读取，如文本文件之间通过链接方式组织，如多媒体文件索引结构3使用索引表来记录数据块的地址，提高文件访问效率，如数据库文件目录管理和文件保护目录管理文件保护目录管理负责组织文件，建立层次结构，以便用户方便地查找和文件保护是为了防止未经授权的访问、修改或删除文件常用的访问文件例如，树形结构的目录组织可以有效地管理大量文件保护机制包括访问控制、权限设置和加密技术设备管理的基本原理输入设备输出设备存储设备用于将数据和指令输入到计算机系统用于将处理结果输出到外部用于保存数据和程序中断的基本概念定义分类中断是指计算机在执行程序的过中断可以分为硬件中断、软件中程中，由于某种事件发生而使断和异常其中，硬件中断是由暂时停止当前正在执行的程外部设备发出的，软件中断是由CPU序，转而去执行另外一个程序或程序发出的，异常是由自身CPU处理该事件，处理完后，再返回产生的到被中断的程序继续执行的过程处理流程中断处理流程主要包括中断请求、中断响应、中断处理和中断返回四个步骤中断处理机制中断响应1保存状态CPU中断处理2执行中断处理程序中断返回3恢复状态CPU输入输出系统的工作原理输入输出设备（设备）包括键盘、鼠系统软件负责管理和控制设备，并操作涉及数据在、内存和设I/O I/O I/O I/O CPUI/O标、显示器、打印机等，用于与外部世界提供用户接口，方便用户使用设备备之间的传输，需要进行数据缓冲和数据交互格式转换技术DMA直接内存访问效率提升应用范围是直接可以显著提高效率，因为技术广泛应用于硬盘、网卡、声卡DMADirect MemoryAccess DMAI/O CPUDMA内存访问技术，允许设备直接访问内存不再需要参与数据的传输过程，可以继等高速外设，有效提升数据传输速度，而不需要通过续执行其他任务CPU处理机调度的基本概念资源分配提高效率12处理器是计算机系统中最宝贵通过合理调度，可以提高处理的资源之一，调度程序负责将器利用率，减少系统开销，提处理器资源分配给不同的进程升整体性能公平分配3调度程序的目标是确保所有进程都能公平地获得处理器时间，防止某个进程长时间占用处理器处理器调度算法先来先服务最短作业优先优先级调度时间片轮转FCFS SJF最简单的调度算法按照进程选择最短作业时间进程优先运每个进程都具有优先级，优先每个进程运行一个时间片，然到达的顺序进行调度适合批行，可以减少平均等待时间级高的进程优先运行适合具后切换到下一个进程适合分处理系统但需要预知作业时间，不适用有重要性的进程优先运行时系统，可以保证各个进程都于实时系统获得运行机会死锁的基本概念相互等待资源独占不可剥夺请求和保持多个进程互相等待对方释放资进程对已获得的资源进行独占进程在释放资源之前不能被其进程在持有资源的情况下，可源，形成循环等待访问，不允许其他进程使用他进程强占以继续申请新的资源死锁的预防、避免和检测预防1通过限制资源分配，避免死锁的发生避免2在资源分配时进行动态检查，确保不会产生死锁检测3通过算法检测系统中是否已经发生了死锁，并采取措施解除死锁操作系统安全性问题用户身份验证访问控制12确保只有授权用户才能访问系限制用户对特定文件和程序的统资源访问权限数据完整性系统安全34保护数据免遭未经授权的修改防止恶意软件和攻击者的入侵或删除操作系统的性能评价指标52利用率吞吐量CPU反映使用率，衡量操作系统效率衡量系统在单位时间内处理的任务数CPU量34响应时间资源利用率衡量系统对用户请求的响应速度衡量系统对各种资源的有效利用程度操作系统的发展趋势云计算移动设备人工智能云计算平台的兴起为操作系统带来了新移动设备的普及促进了移动操作系统的人工智能技术正在改变操作系统的设计的挑战和机遇，例如云操作系统、容器发展，例如、等和功能，例如辅助调度、安全防护等Android iOSAI技术等本章小结操作系统是现代计算机系统中不可或缺的一部分，它管理着系统资源，并为应用程序提供运行环境本章介绍了操作系统的基本概念、功能、发展历程、核心组件以及关键技术，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等通过学习本章内容，可以了解操作系统的工作原理，掌握操作系统的一些基础知识，并为进一步深入学习操作系统奠定基础。