操作系統(tǒng)課件請求分

操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的軟件之一，它負(fù)責(zé)管理計算機硬件資源，提供用戶界面，并為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機不可或缺的一部分，它為用戶提供了一個方便易用的使用環(huán)境，并為各種應(yīng)用程序的運行提供了必要的支持。操作系統(tǒng)功能系統(tǒng)啟動操作系統(tǒng)啟動電腦，加載系統(tǒng)程序。程序管理操作系統(tǒng)管理程序運行，分配資源。文件管理操作系統(tǒng)管理文件存儲，提供訪問操作。網(wǎng)絡(luò)管理操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)程管理1進(jìn)程定義進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。2進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在運行過程中，會處于不同的狀態(tài)，例如運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)。3進(jìn)程控制塊(PCB)PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識，包含了進(jìn)程的各種信息，例如進(jìn)程標(biāo)識符、狀態(tài)、優(yōu)先級等。4進(jìn)程控制進(jìn)程控制包括創(chuàng)建、撤銷、掛起、恢復(fù)、阻塞和喚醒等操作。5線程管理1線程概念輕量級進(jìn)程，共享地址空間。2線程創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建線程，分配線程棧。3線程調(diào)度時間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級調(diào)度等。4線程同步互斥鎖、信號量等機制保證數(shù)據(jù)一致性。線程是操作系統(tǒng)調(diào)度的基本單位，每個線程擁有獨立的?？臻g，可以并發(fā)執(zhí)行，提高程序效率。處理機調(diào)度處理機調(diào)度是操作系統(tǒng)中的核心功能之一，它負(fù)責(zé)分配處理機資源給各個進(jìn)程，確保每個進(jìn)程都能夠得到運行機會。1調(diào)度算法先來先服務(wù)，短作業(yè)優(yōu)先，優(yōu)先級調(diào)度，時間片輪轉(zhuǎn)2調(diào)度目標(biāo)提高CPU利用率，縮短平均周轉(zhuǎn)時間，縮短平均等待時間，保證系統(tǒng)公平性3調(diào)度策略非搶占式調(diào)度，搶占式調(diào)度4調(diào)度環(huán)境單處理器，多處理器，多級隊列處理機調(diào)度算法的選擇和策略的制定直接影響著操作系統(tǒng)的性能和效率。內(nèi)存管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配內(nèi)存給不同的進(jìn)程，確保每個進(jìn)程都有足夠的內(nèi)存運行。內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)需要保護(hù)每個進(jìn)程的內(nèi)存空間，避免一個進(jìn)程訪問另一個進(jìn)程的內(nèi)存。內(nèi)存優(yōu)化操作系統(tǒng)使用各種技術(shù)，例如分頁和分段，來優(yōu)化內(nèi)存使用，提高系統(tǒng)效率。存儲管理1存儲層次結(jié)構(gòu)由速度、容量和成本不同的多個存儲層次構(gòu)成2虛擬存儲器利用磁盤空間擴展主存容量3頁面置換算法選擇頁面調(diào)入或調(diào)出的算法4存儲分配策略分配內(nèi)存給進(jìn)程的方式存儲管理是操作系統(tǒng)中重要的組成部分，負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)中各種存儲資源，為進(jìn)程分配和回收存儲空間。文件管理1文件系統(tǒng)組織和管理文件2目錄結(jié)構(gòu)層次化的文件組織方式3文件操作創(chuàng)建、刪除、修改、讀取文件4訪問控制權(quán)限管理和安全保護(hù)文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理和組織計算機系統(tǒng)中的文件。文件系統(tǒng)為文件提供了邏輯結(jié)構(gòu)和組織方式，使文件能夠被有效地存儲、訪問和管理。設(shè)備管理1設(shè)備管理功能設(shè)備管理負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的硬件設(shè)備。它為應(yīng)用程序提供訪問設(shè)備的統(tǒng)一接口。2設(shè)備驅(qū)動程序每個設(shè)備都有一個相應(yīng)的驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)將設(shè)備的操作轉(zhuǎn)換為操作系統(tǒng)可以理解的指令。3設(shè)備分配策略操作系統(tǒng)需要管理多個設(shè)備，并根據(jù)應(yīng)用程序的需求分配資源，以確保高效利用。4設(shè)備獨立性設(shè)備管理的目標(biāo)之一是實現(xiàn)設(shè)備獨立性，使應(yīng)用程序可以無視具體設(shè)備類型進(jìn)行操作。5設(shè)備安全管理設(shè)備管理還負(fù)責(zé)保護(hù)設(shè)備的安全，防止惡意訪問或錯誤操作。安全管理用戶身份驗證保護(hù)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。訪問控制限制用戶對特定資源的訪問。數(shù)據(jù)加密防止敏感信息被竊取。惡意軟件防護(hù)檢測和阻止病毒、木馬和間諜軟件。操作系統(tǒng)發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)最初的操作系統(tǒng)十分簡單，僅提供基本的資源管理功能。批處理系統(tǒng)是早期操作系統(tǒng)的主要形式。多道程序設(shè)計系統(tǒng)多道程序設(shè)計系統(tǒng)允許多個程序同時運行，提高了系統(tǒng)資源利用率。例如，UNIX操作系統(tǒng)誕生于這一時期。個人計算機操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計算機變得更加易于使用，為大眾普及計算機技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。例如，微軟的MS-DOS和蘋果的MacOS?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)現(xiàn)代操作系統(tǒng)更加復(fù)雜，提供了豐富的功能，包括圖形界面、網(wǎng)絡(luò)支持、多任務(wù)處理和安全機制。例如，Windows，Linux和Android。實時操作系統(tǒng)實時性要求實時操作系統(tǒng)需要在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)完成任務(wù)，對時間延遲非常敏感。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崟r操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。分布式操作系統(tǒng)11.資源共享多個計算機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)共享資源，例如硬件、軟件、數(shù)據(jù)等。22.并發(fā)處理多個用戶可以在不同的計算機上同時訪問系統(tǒng)資源，提高效率。33.可靠性通過冗余機制，系統(tǒng)即使部分節(jié)點故障，也能繼續(xù)運行，提高穩(wěn)定性。44.可擴展性通過添加新的節(jié)點，可以擴展系統(tǒng)容量，滿足不斷增長的需求。嵌入式操作系統(tǒng)資源受限嵌入式系統(tǒng)資源受限，比如內(nèi)存、處理器速度、存儲空間等。特定功能嵌入式系統(tǒng)通常用于特定用途，例如控制設(shè)備或執(zhí)行特定任務(wù)。實時性要求一些嵌入式系統(tǒng)需要實時響應(yīng)事件，例如工業(yè)控制系統(tǒng)?？煽啃砸笄度胧较到y(tǒng)需要高度可靠性，因為它們通常用于關(guān)鍵任務(wù)中。Windows操作系統(tǒng)11.歷史悠久微軟公司開發(fā)，歷史悠久，市場占有率高。22.圖形界面友好易用，圖形化界面，用戶體驗優(yōu)秀。33.多任務(wù)處理支持多任務(wù)處理，可同時運行多個應(yīng)用程序。44.豐富軟件擁有豐富的應(yīng)用程序和游戲，生態(tài)系統(tǒng)龐大。Linux操作系統(tǒng)開源Linux操作系統(tǒng)是開源的，這意味著其源代碼可以自由獲取、修改和分發(fā)。任何人都可以查看、改進(jìn)和重新分發(fā)其代碼，這使得Linux成為一個高度可定制和靈活的操作系統(tǒng)。穩(wěn)定性Linux以其穩(wěn)定性和可靠性而聞名，這使其成為服務(wù)器和其他關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的理想選擇。Linux內(nèi)核經(jīng)過廣泛的測試和完善，并且有龐大的社區(qū)不斷進(jìn)行維護(hù)和更新。Unix操作系統(tǒng)歷史悠久誕生于20世紀(jì)70年代，影響深遠(yuǎn)。開源系統(tǒng)鼓勵代碼共享，促進(jìn)合作開發(fā)。服務(wù)器應(yīng)用廣泛用于大型服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心。MacOS操作系統(tǒng)用戶界面MacOS以其簡單易用和美觀的用戶界面而聞名，為用戶提供直觀的體驗。安全性MacOS包含了多項安全功能，例如沙盒環(huán)境和系統(tǒng)完整性保護(hù)，以增強系統(tǒng)安全性和用戶隱私。應(yīng)用程序生態(tài)系統(tǒng)MacOS擁有豐富的應(yīng)用程序生態(tài)系統(tǒng)，涵蓋生產(chǎn)力、創(chuàng)意、游戲和娛樂等領(lǐng)域，滿足各種用戶的需求。進(jìn)程同步與互斥1競爭條件多個進(jìn)程訪問共享資源，順序不可預(yù)測。2臨界區(qū)共享資源的訪問代碼段。3互斥確保一次只有一個進(jìn)程訪問臨界區(qū)。4同步協(xié)調(diào)多個進(jìn)程的執(zhí)行順序。進(jìn)程同步與互斥是操作系統(tǒng)的核心概念，它們保障了多進(jìn)程環(huán)境下共享資源的安全訪問和有效協(xié)作。死鎖問題分析1定義死鎖是指多個進(jìn)程因競爭資源而互相等待，最終導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。2特征互斥條件：資源不能被多個進(jìn)程同時使用。請求與保持條件：進(jìn)程至少已獲得一個資源，但請求其他資源卻被阻塞。不可搶占條件：進(jìn)程已獲得的資源不能被其他進(jìn)程強行搶占。3分類系統(tǒng)死鎖：系統(tǒng)資源被多個進(jìn)程所占，導(dǎo)致系統(tǒng)無法繼續(xù)運行。進(jìn)程死鎖：多個進(jìn)程相互等待資源，導(dǎo)致這些進(jìn)程都無法繼續(xù)運行。死鎖預(yù)防與避免預(yù)防預(yù)防死鎖是通過限制資源分配，確保無法形成環(huán)路依賴，從而阻止死鎖的發(fā)生。避免死鎖避免則是在系統(tǒng)運行時，通過動態(tài)分析系統(tǒng)狀態(tài)，判斷當(dāng)前分配資源是否會導(dǎo)致死鎖，并采取措施避免死鎖的發(fā)生。檢測與恢復(fù)如果死鎖已經(jīng)發(fā)生，需要通過檢測算法識別死鎖狀態(tài)，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行恢復(fù)，例如撤銷進(jìn)程或剝奪資源。存儲管理層次結(jié)構(gòu)存儲管理層次結(jié)構(gòu)主要包括高速緩存（Cache）、主存（MainMemory）和輔助存儲器（SecondaryStorage）。高速緩存主存輔助存儲器速度快，容量小速度較快，容量中等速度慢，容量大成本高成本中等成本低它們之間速度和成本存在差異，通過分層結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)能夠高效地管理內(nèi)存資源。頁式管理與段式管理頁式管理將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁，物理地址空間也劃分為相同大小的頁框。程序執(zhí)行時，頁可以分散地裝入內(nèi)存，頁框之間可以不連續(xù)。段式管理將邏輯地址空間劃分為大小不等的段，段可以連續(xù)或不連續(xù)，物理地址空間也劃分為大小不等的段。程序執(zhí)行時，段可以分散地裝入內(nèi)存。頁式管理優(yōu)點內(nèi)存利用率高，可以有效解決內(nèi)存碎片問題，方便程序動態(tài)裝入。段式管理優(yōu)點更便于用戶編程，能有效解決程序太大而裝不下內(nèi)存的問題。頁面置換算法最佳置換算法選擇未來最長時間不會被訪問的頁面進(jìn)行替換。該算法性能最佳，但無法在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)。先進(jìn)先出(FIFO)將最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面替換出去，簡單易實現(xiàn)，但可能存在將經(jīng)常使用的頁面置換出去的情況。最近最少使用(LRU)將最近最少使用的頁面替換出去，性能較好，但需要額外的信息維護(hù)，增加系統(tǒng)開銷。時鐘算法在FIFO的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使用一個指針和一個訪問位，選擇未被訪問的頁面進(jìn)行替換。文件系統(tǒng)設(shè)計原理11.數(shù)據(jù)組織文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以邏輯組織形式存儲在物理存儲設(shè)備上，方便用戶訪問和管理。22.文件抽象文件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的抽象接口，屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，為用戶提供操作文件的便利。33.訪問控制文件系統(tǒng)實現(xiàn)安全機制，控制用戶對文件訪問權(quán)限，保證數(shù)據(jù)安全和完整性。44.文件管理文件系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、讀寫、重命名、復(fù)制等操作，方便用戶管理文件。文件存儲結(jié)構(gòu)順序文件信息按順序存儲，記錄順序訪問。索引文件每個文件對應(yīng)一個索引表，通過索引表訪問文件。鏈接文件通過指針鏈接訪問文件。文件訪問方式順序訪問文件從頭到尾順序讀取，一次讀寫一個數(shù)據(jù)塊。通常用于數(shù)據(jù)流處理、日志記錄等。隨機訪問文件可隨機訪問，可在任何位置讀寫數(shù)據(jù)。適用于數(shù)據(jù)庫、編輯器等需要靈活訪問數(shù)據(jù)的應(yīng)用。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的橋梁，負(fù)責(zé)管理硬件資源并提供統(tǒng)一的接口供應(yīng)用程序使用。它充當(dāng)了連接器，將硬件的特定指令和行為翻譯成操作系統(tǒng)能夠理解的指令。1抽象層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件差異。2設(shè)備控制層實現(xiàn)設(shè)備的具體控制功能。3硬件層與硬件設(shè)備直接交互。驅(qū)動程序設(shè)計需要了解硬件的具體特性，同時還要考慮操作系統(tǒng)的要求。一個優(yōu)秀的驅(qū)動程序應(yīng)該具有高性能、高可靠性和良好的可移植性