操作系统原理课件

操作系统原理操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，它位于硬件与应用程序之间，负责管理和协调计算机系统的各种资源本课程将全面介绍计算机操作系统的基本原理和相关技术，从基础概念到高级应用进行系统化学习课程概述核心地位模块化学习操作系统在计算机体系中本课程包含个主要模10占据核心地位，是连接硬块，系统性地覆盖操作系件与软件的重要桥梁统的各个重要方面理论实践第一章操作系统引论基本概念系统层次操作系统的定义、特征与功能在计算机系统层次结构中的重是理解系统工作原理的基础要位置和作用机制设计目标操作系统的性能指标和设计目标指导系统开发方向操作系统的概念系统软件资源管理用户界面操作系统是位于硬件与应用程序之间操作系统的核心职能是协调与控制应操作系统为用户和应用程序提供友好的重要系统软件，承担着资源管理和用程序对硬件资源的使用，包括处理的操作界面，包括命令行界面和图形服务提供的双重职责它直接控制硬器、内存、存储设备、输入输出设备用户界面，使用户能够方便地使用计件设备，为上层应用程序提供统一的等各种资源的分配和调度算机系统接口和服务通过合理的资源管理策略，操作系统这种界面抽象屏蔽了底层硬件的复杂作为系统软件，操作系统具有长期运确保系统资源的高效利用，避免资源性，让用户专注于应用任务的完成行、高可靠性、高效率等特点，是计冲突，提高系统整体性能算机系统正常运行的基础保障操作系统的特征共享性虚拟性系统资源可以被多个用户或将物理资源抽象为逻辑资进程共同使用，提高资源利源，为用户提供更加灵活的并发性用率使用方式异步性多个事件在同一时间间隔内发生，是现代操作系统的重程序执行具有间断性和不可要特征预测性，需要系统动态调度操作系统的功能处理器管理存储器管理设备管理文件管理负责进程的创建、调管理内存的分配与回控制各种输入输出设负责文件和目录的创度、同步和终止，确收，包括地址转换、备的操作，提供设备建、删除、读写和保保处理器资源的合理内存保护、虚拟内存驱动接口，实现设备护，提供文件系统接分配和高效利用通等功能确保程序正的统一管理和资源共口，实现数据的长期过多种调度算法实现确运行并提高内存利享存储和检索多任务并发执行用率操作系统的发展历程手工操作阶段早期计算机需要人工操作，效率低下，资源浪费严重，程序员直接操作硬件设备批处理系统引入批处理概念，提高系统吞吐量，减少人工干预，但缺乏交互性分时系统多用户同时使用计算机，实现人机交互，提供良好的用户体验个人计算机个人计算机普及，操作系统更加用户友好，图形界面成为主流网络分布式网络技术发展推动分布式操作系统出现，支持远程访问和资源共享操作系统的分类批处理操作系统作业成批处理，提高系统吞吐量，适用于大量计算任务但交互性差分时操作系统多用户分享系统资源，响应时间短，交互性强，适合多用户环境实时操作系统对时间要求严格，能够及时响应外部事件，用于控制和监测系统网络操作系统支持网络通信和资源共享，提供网络服务和分布式处理能力分布式操作系统管理分布在网络上的多台计算机，实现透明的分布式计算主流操作系统简介系列系统系统移动操作系统Windows Unix/Linux macOS微软开发的商业操作系统，开源的类操作系统，具苹果公司开发的操作系统，专为移动设备设计的操作系Unix具有友好的图形界面和广泛有高稳定性和安全性，广泛以优雅的设计和流畅的用户统，如和，具有Android iOS的应用软件支持，是个人计应用于服务器和嵌入式系统体验著称，主要运行在苹果触摸操作、低功耗、应用商算机市场的主导产品领域硬件平台上店等特点第二章操作系统启动过程自检BIOS/UEFI计算机开机后首先执行基本输入输出系统的自检程序，检测硬件设备的工作状态，初始化基本硬件组件自检通过后，将控制权交给引导加载程序，BIOS开始操作系统的启动过程引导加载程序引导加载程序负责从存储设备中加载操作系统内核到内存中它通常存储在硬盘的主引导记录中，能够识别不同的文件系统并定位内核文件内核加载与初始化操作系统内核被加载到内存后开始执行初始化过程，包括设备驱动程序加载、内存管理器初始化、进程调度器启动等关键系统组件的配置系统服务启动内核初始化完成后，系统开始启动各种系统服务和后台进程，最终呈现用户界面，完成整个操作系统的启动过程第三章处理器管理处理器调度最高层的调度决策中断机制处理异步事件的核心技术执行模式用户态与内核态切换工作原理CPU指令执行的基础机制处理器管理是操作系统的核心功能之一，它负责合理分配时间，确保多个进程能够有序、高效地执行通过精心设计的调度算法和中断处CPU理机制，现代操作系统能够在单个或多个处理器上同时运行数百个进程中断机制详解中断类型识别系统识别外部中断、内部中断和软件中断的不同类型中断向量查找通过中断向量表找到对应的中断处理程序入口地址现场保护保存当前程序的执行状态和寄存器内容中断处理执行相应的中断服务程序处理中断事件现场恢复恢复被中断程序的执行状态继续运行调度算法CPU算法名称调度策略优点缺点先来先服务按到达时间顺简单公平平均等待时间序长FCFS短作业优先执行时间最短平均等待时间长作业饥饿优先短SJF优先级调度按优先级高低重要任务优先低优先级饥饿时间片轮转固定时间片循响应时间好上下文切换开环销多级反馈队列多队列动态调综合性能好实现复杂整第四章进程管理进程创建进程执行分配资源并初始化进程控制块，建立进程获得控制权并执行指令序列CPU新的执行实体进程终止进程阻塞释放所占用的系统资源并删除进程控等待操作或其他事件完成而暂停执I/O制块行进程与线程进程特征线程概念比较分析进程是程序的一次执行实例，拥有独线程是进程内的执行单元，同一进程多进程具有更好的稳定性和安全性，立的地址空间和系统资源每个进程的线程共享地址空间和系统资源线一个进程崩溃不会影响其他进程多都有唯一的进程控制块，记录进程拥有独立的程序计数器、寄存器组线程具有更高的执行效率和资源利用PCB程的状态信息、资源使用情况和调度和栈空间，但共享代码段和数据段率，适合计算密集型任务参数线程创建和切换开销小，但需要同步用户级线程由应用程序管理，内核级进程间相互独立，通信需要特殊机机制确保数据一致性，适合并发程序线程由操作系统管理，各有优缺点制，具有良好的隔离性和安全性，但设计创建和切换开销较大进程状态转换创建态进程正在被创建，分配资源和初始化就绪态进程已准备好运行，等待CPU分配运行态进程正在CPU上执行指令阻塞态进程等待某个事件发生而暂停终止态进程执行完毕，等待系统回收资源进程同步临界资源问题互斥与同步临界资源是一次只能被一个进互斥是指同一时刻只有一个进程使用的资源，如打印机、共程能够访问临界资源同步是享变量等临界区是访问临界指进程间按照特定的顺序执资源的程序段，需要保证互斥行，确保程序的正确性访问同步机制包括硬件同步机制如关中断、测试并设置指令，以及软件同步机制如信号量、管程等，确保进程协调工作经典进程同步问题12生产者消费者读者写者--经典的同步问题，生产者生产数据放多个读者可以同时读取共享数据，但入缓冲区，消费者从缓冲区取出数据写者与其他进程互斥访问消费3哲学家进餐五个哲学家围圆桌而坐，需要两只筷子才能进餐，避免死锁的资源分配问题死锁问题互斥条件资源不能被多个进程同时使用，必须互斥访问保持和等待进程已获得部分资源，同时等待获得其他资源不可剥夺已分配的资源不能被强制回收，只能主动释放循环等待存在进程资源分配图中的环路，形成循环等待链进程通信共享内存消息传递管道通信进程通过访问共享的内进程通过发送和接收消包括匿名管道和命名管存区域进行数据交换，息进行通信，包括直接道，提供单向或双向的速度快但需要同步控制，通信和间接通信方式，数据流通道，适合父子适合大量数据传输安全性高但开销较大进程间的通信套接字通信支持网络通信的高级接口，可以实现本地和远程进程间的通信，灵活性强第五章存储器管理高速缓存最快的存储器，容量小但速度极快主存储器程序运行时的主要存储空间辅助存储器3大容量的永久性存储设备存储器管理是操作系统的重要功能，它负责内存的分配、回收和保护通过地址映射、虚拟内存等技术，操作系统为每个进程提供独立的地址空间，实现内存资源的有效利用和系统的稳定运行内存管理基础地址概念内存保护内存共享物理地址是内存中的实际地址，逻辑内存保护机制确保进程只能访问被分多个进程可以共享某些内存区域，如地址是程序中使用的相对地址地址配的内存区域，防止非法访问和数据共享库、共享数据段等，提高内存利绑定是将逻辑地址转换为物理地址的破坏通过界限寄存器、保护位等硬用率共享内存需要适当的同步机制过程，可以在编译时、加载时或运行件机制实现确保数据一致性时进行操作系统内核和用户程序运行在不同写时复制技术允许进程在不修改时共地址转换通过硬件支持实现，包括基的特权级别，确保系统的安全性和稳享内存，修改时才创建副本址寄存器、段表、页表等机制定性内存分配策略分页内存管理页面划分将逻辑地址空间和物理地址空间划分为固定大小的页面和页框页表映射建立页面到页框的映射关系，实现地址转换多级页表采用多级页表结构减少页表占用的内存空间快表优化使用缓存常用页表项，提高地址转换效率TLB分段内存管理段的概念段表结构段页式管理段是按照程序的逻辑结构划分的存段表记录每个段的基址和长度信结合分段和分页的优点，先分段再储区域，如代码段、数据段、堆栈息，实现逻辑地址到物理地址的转分页，既保持了程序的逻辑结构，段等每个段有独立的名称和长换段表项包含段基址、段长度、又解决了外部碎片问题，是现代操度，更符合程序员的思维模式访问权限等属性作系统常用的方式虚拟内存管理透明性按需调页对程序员透明，自动管理内仅在需要时才将页面调入内存交换过程存，提高效率外存扩展页面置换将部分内存内容交换到外内存不足时选择合适的页面存，扩大可用内存空间换出到外存1页面置换算法算法名称基本思想实现复杂度性能表现最佳置换置换最长时间理论算法最优但无法实不使用的页面现OPT先进先出置换最早进入简单可能产生异常内存的页面现象FIFO最近最少使用置换最长时间中等性能接近最优未访问的页面LRU时钟算法的近似实较简单性能和效率平LRU现衡CLOCK第六章文件管理文件保护访问控制和权限管理文件共享多用户文件访问机制目录结构文件组织和管理方式文件结构逻辑结构与物理结构文件概念文件属性和基本操作文件系统基础文件系统接口为用户和应用程序提供文件操作的标准接口，包括创建、打开、读写、关闭、删除等操作文件系统接口屏蔽了底层存储设备的复杂性，提供统一的文件访问方式文件组织管理负责文件的逻辑组织和目录管理，维护文件控制块和目录结构文件控制块记录文件的属性信息，目录提供文件名到文件控制块的映射关系存储空间管理管理存储设备上的空间分配和回收，包括空闲空间管理、文件分配策略等确保存储空间的有效利用和文件数据的完整性文件的物理结构连续分配链接分配索引分配文件占用连续的存储空间，实现简文件以链表形式分布在存储设备上，为每个文件建立索引块，记录文件各单，访问速度快，支持随机访问但每个数据块包含指向下一块的指针数据块的地址支持随机访问，便于容易产生外部碎片，文件大小难以动消除了外部碎片，支持动态扩展扩展，避免外部碎片态扩展但只支持顺序访问，指针占用额外空索引块的管理较复杂，小文件会浪费适合于只读文件或大小固定的文件，间，链表断裂时数据丢失风险大索引空间，大文件可能需要多级索如可执行程序、多媒体文件等引目录管理单级目录所有文件在同一目录下，结构简单但文件命名冲突严重，不适合多用户环境两级目录为每个用户建立单独的目录，解决了命名冲突问题，但文件组织能力有限树形目录层次化的目录结构，支持子目录，便于文件分类管理，是最常用的目录结构图形目录允许文件有多个父目录，支持文件共享和链接，但可能形成环路需要特殊处理文件存储空间管理文件分配表位图法空闲链表法系统使用分配表记录使用位图标识每个存储将空闲块链接成链表，FAT每个簇的状态和链接关块的使用状态，查找空节省空间但查找效率较系，支持链式分配，但闲块快速，但需要额外低，适合空闲块较少的表的大小随磁盘容量增的存储空间保存位图情况长成组链接法将空闲块分组管理，结合了链表和数组的优点，是系统采用的方法Unix常见文件系统文件系统文件系统文件系统文件系统FAT32NTFS Ext4ZFS简单的文件分配表系统，兼系统的高级文件系系统的主流文件系统，下一代文件系统，集成了卷Windows Linux容性好，广泛支持，但单文统，支持大文件、文件压支持大容量存储、日志功管理、快照、数据校验、压件大小限制，安全性较缩、加密、权限控制等特能、在线调整大小，性能优缩等高级功能，具有极高的4GB低，适合移动存储设备性，可靠性和安全性高秀且稳定可靠数据完整性保证第七章设备管理设备分类设备控制器按数据传输特性分为字符设备、块设硬件接口负责控制具体设备的操作和备和网络设备数据传输设备独立性设备驱动程序应用程序通过统一接口访问不同类型软件接口实现操作系统与设备控制器的设备的通信控制方式I/O程序控制I/O直接控制操作，不断检查设备状态，简单但效率低，利CPU I/O CPU用率差中断驱动I/O设备完成操作后发出中断信号通知，避免了轮询等待，提高了CPU效率CPU控制方式DMA直接内存访问控制器独立完成数据传输，只需启动和处理结束CPU中断通道控制方式专用处理器执行程序，实现完全独立的操作，最高效的控制方I/O I/O式缓冲管理单缓冲区使用一个缓冲区进行数据传输，实现简单但在数据处理时无法同时进行I/O操作，可能出现等待现象影响系统效率双缓冲区使用两个缓冲区轮流工作，一个进行I/O操作时另一个进行数据处理，提高了系统并发度和整体性能循环缓冲区多个缓冲区组成环形队列，生产者和消费者独立工作，适合连续数据流处理，进一步提高了系统吞吐量缓冲池系统维护公共缓冲区池，根据需要动态分配，灵活高效，是现代操作系统常用的缓冲管理方式磁盘管理磁盘结构磁盘初始化容错技术硬盘由多个盘片组成，每个盘片有两新磁盘需要进行低级格式化创建扇技术通过数据分布和冗余提供容RAID个记录面，磁头在盘片表面读写数区，然后分区建立文件系统主引导错能力，不同级别的提供不同的RAID据盘片被划分为同心圆轨道，每个记录包含分区表和引导程序，是系统性能和可靠性特征轨道分为若干扇区启动的关键定期备份和检查点技术确保重要数据磁盘的主要性能参数包括容量、转坏块管理通过重定向技术将坏扇区映的安全，防止因硬件故障造成的数据速、平均寻道时间、数据传输率等，射到备用扇区，保证数据的可靠存丢失这些参数直接影响磁盘的访问性能储磁盘调度算法第八章系统安全入侵检测监控系统行为发现异常活动安全策略制定和实施系统安全规则访问控制限制用户对系统资源的访问权限安全基础身份认证和数据加密保护访问控制身份认证访问控制列表能力表基于角色访问控制通过密码、生物特为每个资源维护允许为每个用户维护可访征、数字证书等方式访问的用户列表和相问资源的列表，包含将权限分配给角色而验证用户身份，确保应权限，实现细粒度资源标识和操作权不是直接分配给用只有合法用户才能访的权限控制和管理限，便于权限传递和户，用户通过承担角问系统资源撤销色获得权限，简化权限管理恶意软件防护计算机病毒具有自我复制能力的恶意程序，可以感染其他程序和系统文件，造成数据破坏和系统瘫痪蠕虫与木马蠕虫通过网络自我传播，木马伪装成有用程序窃取信息，都对系统安全构成严重威胁防火墙技术网络安全屏障，监控和控制网络通信，阻止未授权访问和恶意攻击，保护内部网络安全入侵检测系统实时监控系统活动，识别异常行为和攻击模式，及时发现和响应安全威胁第九章嵌入式操作系统嵌入式应用智能手机、物联网设备的核心软件平台嵌入式Linux开源、可定制的嵌入式系统解决方案实时操作系统保证任务在规定时间内完成的专用系统系统特点资源受限、功耗敏感、可靠性要求高实时操作系统实时性分类实时调度通信同步硬实时系统要求任务必须在截止时间实时调度算法必须考虑任务的时间约实时系统的任务间通信必须具有时间前完成，违反时限会造成系统失效束，包括最早截止时间优先、速率单可预测性，包括消息传递、共享内软实时系统允许偶尔违反时限，但会调调度等算法可调度性分析确保系存、信号量等机制都需要支持优先级影响系统性能统能够满足所有时间约束和时间约束实时系统广泛应用于工业控制、航空优先级倒置和优先级继承是实时系统实时内存管理避免使用虚拟内存等不航天、医疗设备等对时间要求严格的需要特别处理的问题可预测的机制，确保内存访问时间的领域确定性第十章分布式操作系统透明性可扩展性隐藏分布式系统的复杂性，为用户提供支持系统规模的动态增长和资源的灵活统一的系统视图配置容错性分布式通信通过冗余和恢复机制保证系统的可靠运实现跨网络的进程间通信和数据共享行。