《操作系统例题》课件

《操作系统例题》操作系统基础概念回顾进程线程12一个正在执行的程序的实例，进程内部的一个执行单元，共拥有自己的地址空间、资源和享进程的地址空间和资源，但执行状态拥有独立的执行栈和状态并发与并行资源管理34并发是多个进程或线程在同一操作系统负责管理系统资源，时间段内执行，但并非同时执例如CPU、内存、外设等，行；而并行则是多个进程或线并分配给不同的进程或线程程同时执行进程管理进程的概念进程状态进程是操作系统进行资源分配和调度进程在运行过程中会经历不同的状态的一个基本单位，是程序在执行过程，例如运行态、就绪态、阻塞态等中的一个动态实体进程管理操作系统负责进程的创建、终止、切换、同步和通信等操作进程同步与互斥同步1多个进程在执行时需要相互配合,协调工作互斥2多个进程在访问共享资源时,必须互斥进行临界区3对共享资源进行访问的代码段死锁问题资源竞争循环等待多个进程竞争有限的资源导致死锁进程互相等待对方持有的资源，形成循环等待链死锁预防与解决预防解决通过破坏死锁产生的四个必要条件之一来防止死锁发生例如，当死锁发生时，采取措施解除死锁，例如撤销进程，回收其资源通过资源预先分配，确保每个进程在运行前获得所有所需的资源，或重新分配资源，打破“循环等待条件”，从而打破“互斥条件”内存管理物理内存虚拟内存计算机系统中直接可寻址的内存通过将部分数据存储在硬盘中，空间，用于存放程序和数据来扩展物理内存容量内存分配策略内存保护机制如何将物理内存分配给不同的进防止进程或线程访问其他进程的程和线程内存空间分页存储管理页面页框将逻辑地址空间划分为大小相等的页将物理内存划分为大小相等的页框面页表记录页面和页框之间的映射关系分段存储管理逻辑地址物理地址段表将程序分成多个逻辑段，每个段有一将内存划分成多个物理段，每个段有记录每个段的起始地址和长度个段号和段内地址一个段号和段内地址虚拟内存物理内存虚拟内存物理内存是指计算机系统中实际存在的内存空间，通常由RAM虚拟内存是一种技术，通过将硬盘空间作为内存扩展，使程序可芯片组成，容量有限以访问超过物理内存大小的地址空间页面置换算法最佳置换算法OPT先进先出FIFO选择将来最长时间不会被访问的选择最先进入内存的页面进行替页面进行替换换最近最少使用LRU时钟算法选择最近最少使用的页面进行替结合了FIFO和LRU算法的优点换设备管理硬件抽象层设备驱动程序设备分配策略为应用程序提供统一的接口，隐藏硬件控制特定硬件设备的操作，例如磁盘、确定如何将设备分配给不同的进程或用细节网络卡和打印机户磁盘调度算法FCFS SSTFSCAN C-SCAN先来先服务算法按照请求到最短寻道时间优先算法选择扫描算法磁头从一端扫描到循环扫描算法是一种改进的达的顺序分配磁头离当前磁头最近的请求另一端，处理所有请求SCAN算法，它避免了磁头在两端反复扫描作业管理作业调度作业控制作业执行根据作业的优先级、资源需求等因素负责监控作业的运行状态，并根据需分配给作业的处理器将根据作业的指，将作业分配给不同的处理器进行执要进行暂停、恢复或终止作业令进行运算和处理，完成作业的任务行作业调度算法先来先服务FCFS最短作业优先SJF优先级调度按照作业到达的顺序进行调度选择运行时间最短的作业优先执行根据作业的优先级进行调度，优先级高的作业优先执行文件管理文件存储结构文件目录结构12文件存储结构主要包括顺序结文件目录结构用来组织和管理构、链接结构、索引结构等文件系统中的文件，常见的目顺序结构简单但浪费空间，链录结构包括单级目录、树形目接结构灵活但访问速度慢，索录和图状目录等目录结构影引结构兼顾效率和灵活性响着文件的组织方式和访问效率文件共享和保护3文件共享是指多个用户可以访问同一个文件，文件保护则是为了防止非法访问和破坏文件数据共享和保护机制确保了文件系统安全性和数据完整性文件目录结构树形结构常见于大多数操作系统，图状结构允许文件之间建立复杂的易于理解和管理，但可能会出现路径关系，灵活度高，但管理复杂过长的问题单级目录结构简单易懂，但缺乏组织性，不适用于大型文件系统文件存储结构顺序存储链接存储索引存储文件信息按顺序存放在一块连续的存文件信息分散在存储空间中，通过指文件信息分散存放，由一个索引块记储空间中针链接起来录每个数据块的位置文件共享和保护文件共享允许多个用户访问相同的文文件保护机制包括访问控制、加密和件不同的访问权限可以防止未经授备份这些机制可以防止数据丢失或权的修改被盗访问控制可以限制用户对文件的访问权限，确保只有授权人员可以访问或修改文件操作系统安全数据完整性系统可用性身份验证与授权保护数据免受未经授权的访问，修改和删确保系统正常运行，并避免恶意攻击导致验证用户身份，并根据权限控制对资源的除服务中断访问操作系统引导过程加电自检POST检查硬件是否正常工作.引导加载程序从启动设备（通常是硬盘）加载操作系统内核.内核初始化初始化系统资源，如内存管理、中断处理等.启动系统服务加载并启动其他系统服务，如文件系统、网络服务等.用户登录提示用户输入用户名和密码，并验证用户身份.中断处理机制中断请求1当系统发生中断事件时，硬件会向CPU发送中断请求信号中断处理2CPU响应中断请求，保存当前执行状态，并将控制权转移到中断处理程序中断处理程序3中断处理程序根据中断类型执行相应的处理操作，例如处理I/O请求或异常情况恢复执行4中断处理程序完成后，CPU恢复之前保存的执行状态，继续执行被中断的程序系统调用机制用户态与内核态1系统调用接口2系统调用处理程序3系统调用返回4系统调用是用户程序与操作系统内核交互的一种机制用户态程序通过系统调用接口请求内核提供服务，内核态系统调用处理程序执行相应的操作，并将结果返回给用户态程序并发编程模型线程模型协程模型12使用多个线程来执行任务,线协程是一种用户级线程,由程程是轻量级的进程,共享同一序员控制,比线程更轻量级,适地址空间,提高效率.用于高并发场景.事件驱动模型异步模型34使用事件循环机制,处理异步使用异步编程方式,避免阻塞,事件,提高系统响应速度.提高程序性能.并发控制机制互斥同步死锁确保在同一时间只有一个进程或线程可协调多个进程或线程的执行顺序，以确当多个进程或线程相互等待对方释放资以访问共享资源，以防止数据不一致保它们按预期的方式交互，例如生产者-源时，就会发生死锁，导致系统无法继消费者问题续运行线程管理轻量级进程并发执行同步与互斥线程是轻量级进程，共享相同的地址空多个线程可以并发执行，提高程序的效线程之间需要进行同步和互斥，以保证间，可以更高效地利用资源率和响应能力数据的一致性进程间通信数据共享资源协作不同进程之间需要共享数据时多个进程需要协同工作完成任，进程间通信提供了一种机制务，进程间通信可以实现资源共享和同步信息传递进程间通信可以传递消息，实现进程之间的信息交互生产者消费者问题-生产者消费者缓冲区生产者负责生产产品，并将其放入缓冲区消费者负责从缓冲区中获取产品进行消费缓冲区用于存储生产者生产的产品，供消费者消费读者写者问题-读者写者读取共享数据，不会修改数据修改共享数据，不允许其他读者或写者同时访问目标允许多个读者同时访问，但只有一个写者可以访问哲学家就餐问题模拟多个哲学家共享资源的场景每个哲学家需要两根叉子才能吃饭如果每个哲学家都拿了一根叉子，就会发生死锁小结和展望本课程介绍了操作系统基础知识和核心概念，并通过一系列例题深入讲解了操作系统的关键技术和应用场景未来，操作系统将继续发展，朝着更高效、更安全、更可靠的方向迈进，为各种应用提供更加强大的支持。