《操作系统概论》课件

操作系统概论操作系统是现代计算机系统的核心组成部分，负责管理硬件资源、协调软件运行以及提供用户界面操作系统概念及功能管理计算机硬件为用户提供使用硬件的接口，管理处理器、内存、外设等资源，使之更高效地运行管理软件资源管理应用程序、系统文件等软件资源，提供应用程序运行环境，协调不同软件之间的协作提供用户接口为用户提供操作系统的使用界面，例如命令行界面、图形界面等，方便用户进行操作操作系统的发展历程早期操作系统20世纪50年代出现，例如通用自动计算机（UNIVAC）的单道批处理系统，主要用于科学计算任务，但效率较低，无法充分利用硬件资源多道批处理操作系统20世纪60年代发展，例如IBM的OS/360系统，通过多道程序设计技术，提高了CPU利用率，但仍然无法满足用户对交互性的需求分时操作系统20世纪70年代兴起，例如UNIX和Multics系统，支持多个用户同时使用计算机，提供交互式界面，提高了用户体验实时操作系统20世纪70年代发展，例如实时控制系统，用于控制机器和设备，对时间响应要求严格，需要快速处理实时数据个人电脑操作系统20世纪80年代出现，例如微软的MS-DOS和苹果的Mac OS，为个人电脑提供了图形用户界面，方便了用户操作网络操作系统20世纪90年代发展，例如Novell NetWare和Windows NT，支持网络资源共享和协同工作，推动了网络技术发展现代操作系统21世纪发展至今，例如Windows、macOS、Linux和Android，提供了更强大的功能、更友好的用户界面，并支持各种新技术，如云计算、移动计算和人工智能操作系统的基本结构内核系统调用接口12操作系统核心，管理系统资源用户程序与内核交互的桥梁系统程序用户程序34提供用户程序所需的服务和工运行在操作系统之上的应用程具序进程管理进程管理是操作系统中一项重要的功能，负责创建、调度、终止等进程的生命周期管理它确保系统中各个进程能够有效地利用系统资源，并协调进程间的相互作用进程的基本概念进程定义进程属性进程标识进程是指一个正在运行的程序的一个实进程具有独立的地址空间、进程控制块每个进程都有唯一的进程标识符（PID例，包含程序代码、数据以及系统资源（）、资源和状态），用于区分不同的进程PCB进程的状态及转换新建1进程刚被创建，尚未分配资源就绪2进程已分配资源，等待CPU时间运行3进程正在运行，正在使用CPU阻塞4进程等待资源，无法运行终止5进程完成，不再运行进程在生命周期中会经历不同的状态进程处于不同的状态，对应着不同的活动，需要根据状态进行合理的管理进程调度算法先到先服务最短作业优先优先级调度时间片轮转FCFS SJF简单易实现，但可能导致进程提高系统效率，但需要提前知根据优先级分配资源，可公平分配资源，避免进程CPU CPU饥饿，效率低下道作业执行时间，现实中难以以设置优先级，但可能导致低饥饿，适用于交互式系统实现优先级进程饥饿内存管理内存管理是操作系统的重要组成部分，负责分配和管理计算机系统中的内存资源内存管理的目标是提高内存利用率，减少内存碎片，并为多个进程提供安全、高效的内存访问机制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将内存空间分配为连续的区域将内存空间和程序空间都划分将程序空间划分成若干个逻辑结合分页和段式分配的优点，，程序占用完整的内存块优为大小相同的页面，进行分页段，每个段可以是一个程序模将程序空间进行分页，同时对点简单易行；缺点内存利管理，提高了内存利用率优块或数据结构优点方便程每个页进行段式管理优点用率低，易产生内存碎片点提高内存利用率，减少内序的模块化管理；缺点需要提高了内存利用率和程序的模存碎片；缺点增加了地址转进行段表管理，增加了管理开块化管理能力；缺点管理更换开销销加复杂，增加了管理开销虚拟内存技术虚拟内存概念分页式管理段式管理虚拟内存管理流程虚拟内存技术允许程序使用比将虚拟内存划分为固定大小的将虚拟内存划分为可变大小的虚拟内存管理涉及地址转换、物理内存更大的地址空间，将页面，并将页面加载到物理内段，并将段加载到物理内存中页面置换、内存分配等多个步部分程序代码和数据交换到磁存中，实现虚拟地址到物理地，实现虚拟地址到物理地址的骤，保证系统高效运行盘上，从而提高系统效率和内址的映射映射存利用率文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分它负责存储和管理用户文件，为用户提供文件访问和操作的接口文件系统结构层次结构文件索引结构12文件系统以树状结构组织文件和目录，便于用户查找和管理文系统维护文件索引，记录文件元数据信息，如文件名、大小、件创建日期等文件分配结构目录结构34文件系统决定如何将文件存储在磁盘上，例如连续分配、链接目录结构定义了文件和目录之间的组织关系，例如单级目录、分配或索引分配树形目录或图状目录文件访问方式顺序访问随机访问从文件开头开始，按顺序读取或写入数据可直接访问文件中的任意位置，进行读取或写入适用于线性数据结构，如文本文件适用于数据库文件，允许快速检索和更新数据磁盘管理磁盘管理是操作系统中重要的组成部分，负责对磁盘空间进行分配、管理和访问它确保数据存储的安全性、完整性和有效性，同时优化磁盘性能，提升系统效率磁盘调度算法磁盘调度算法概述先来先服务（）FCFS磁盘调度算法用于优化磁盘访问顺序，提高系按请求到达的顺序处理，简单易懂但效率不高统性能它们根据不同的策略安排磁盘访问请，可能造成磁头频繁移动求，减少磁盘寻道时间和旋转延迟最短寻道时间优先（）扫描算法（）SSTF SCAN选择与当前磁头位置距离最小的请求优先处理磁头从一个方向扫描到另一方向，并处理路径，减少磁头移动距离，但可能造成饥饿现象上的所有请求，避免饥饿现象输入输出管理输入输出管理是操作系统的重要组成部分，负责协调系统与外部设备之间的交互输入输出管理主要包括设备驱动程序、缓冲区管理、中断处理等设备驱动程序连接桥梁特定设备设备驱动程序充当硬件和操作系每个设备驱动程序都是为特定类统之间的桥梁，使操作系统能够型的硬件设备设计的，例如硬盘控制和管理硬件设备驱动器、图形卡或网络接口卡访问接口抽象层驱动程序为操作系统提供了一个驱动程序隐藏了硬件设备的具体标准化的访问接口，允许操作系细节，为操作系统提供了一个抽统通过驱动程序与硬件设备进行象层，简化了应用程序的开发交互缓冲区管理缓冲区概念缓冲区类型缓冲区是内存中的一块区域，用于暂时存储数据单缓冲一个缓冲区用于读写操作用于提高数据传输效率，减少等待时间双缓冲两个缓冲区交替使用，提高效率CPU循环缓冲多个缓冲区循环使用，提高效率系统安全操作系统安全是保障系统稳定运行和数据安全的重要组成部分，涉及多个方面系统安全威胁来自多方面，例如恶意软件、网络攻击、用户错误等安全威胁及防护机制恶意软件网络攻击

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22.病毒、木马、蠕虫等恶意软件拒绝服务攻击、注入、跨SQL会窃取数据、破坏系统或造成站脚本攻击等网络攻击会影响系统崩溃系统正常运行用户错误系统漏洞

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44.用户误操作、密码泄露等错误操作系统或应用软件存在漏洞会造成安全漏洞，导致系统被，攻击者可以利用漏洞获取系入侵统权限访问控制技术访问控制列表（）基于角色的访问控制（）ACL RBAC是一种访问控制策略，它定义了哪些用户将访问权限分配给角色，而不是直接分ACL RBAC或组可以访问哪些资源配给用户数据加密身份验证数据加密是一种保护数据安全的重要手段，可身份验证用于验证用户的身份，确保只有授权以防止未经授权的访问用户才能访问系统或资源加密算法与密钥管理对称加密非对称加密数字签名哈希函数使用相同的密钥进行加密和解使用不同的密钥进行加密和解利用非对称加密技术，确保信将任意长度的输入数据转换成密速度快，但密钥管理复杂密密钥管理相对简单，但速息完整性和身份验证固定长度的哈希值，用于数据度较慢完整性校验操作系统的发展趋势操作系统不断发展，适应新的计算模式和硬件技术云计算、移动设备、物联网和人工智能等领域对操作系统提出了新的挑战和需求云计算操作系统资源池化按需服务服务可扩展性虚拟化技术将硬件资源抽象成可共享的用户根据需求动态获取和释放计算、存云操作系统可以根据用户需求自动扩展资源池储、网络等资源或缩减资源，保证服务质量移动操作系统移动设备应用生态网络连接能源管理移动操作系统主要针对智能手丰富的应用程序生态系统是移移动操作系统支持各种网络连移动操作系统优化了能源管理机和平板电脑等移动设备设计动操作系统的关键优势，为用接，包括移动数据和，使，以延长设备的电池续航时间Wi-Fi户提供了各种功能和体验设备能够随时随地访问互联网实时操作系统高效性可预测性可靠性

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33.响应时间严格，满足实时性要求系统行为可预测，确保任务按时完运行稳定可靠，即使发生故障也能成快速恢复嵌入式操作系统资源受限实时性嵌入式系统通常资源有限，内存许多嵌入式系统需要实时响应，、存储空间和处理能力都很有限例如工业自动化和航空航天嵌嵌入式操作系统需要针对这些入式操作系统需要提供实时调度限制进行优化，以确保高效运行机制，以满足实时要求专用性可靠性嵌入式系统通常用于特定应用场嵌入式系统通常需要长时间可靠景，如汽车、智能家居或医疗设运行，因此嵌入式操作系统需要备嵌入式操作系统需要根据特具有高可靠性，防止系统崩溃或定需求进行定制，以满足应用要出现错误求操作系统的应用领域操作系统是现代计算机系统不可或缺的核心软件操作系统广泛应用于各种领域，涵盖个人电脑、服务器、移动设备、嵌入式系统等操作系统的發展方向云计算与分布式系统物联网与嵌入式系统人工智能与机器学习虚拟现实和增强现实云计算技术将推动操作系统向物联网的发展将带动轻量级、人工智能技术的进步将促使操虚拟现实和增强现实技术将需虚拟化、分布式、弹性可扩展低功耗、实时性强的嵌入式操作系统更加智能化，提供更强要操作系统支持更强的图形处方向发展作系统的应用大的资源管理和安全保障理能力和交互性总结与展望操作系统是现代计算机系统的核心，它经历了数十年的发展，取得了巨大的进步未来，操作系统将继续发展，以满足不断增长的计算需求云计算、移动计算、物联网等新技术将推动操作系统的发展，并带来新的挑战和机遇。