現(xiàn)代操作系統(tǒng)課件

現(xiàn)代操作系統(tǒng)概論操作系統(tǒng)的定義和功能管理計算機硬件資源，如CPU、內存、磁盤和外設。提供用戶界面，方便用戶使用計算機。提供程序運行環(huán)境，支持應用程序的執(zhí)行。操作系統(tǒng)的分類與發(fā)展歷程1現(xiàn)代操作系統(tǒng)Windows,Linux,macOS2多用戶操作系統(tǒng)UNIX,Multics3批處理操作系統(tǒng)IBM1401,OS/3604單用戶操作系統(tǒng)MS-DOS,CP/M操作系統(tǒng)的基本組成1內核操作系統(tǒng)的核心，管理系統(tǒng)資源，控制硬件。2系統(tǒng)調用接口應用程序與內核交互的橋梁，提供系統(tǒng)服務。3系統(tǒng)程序輔助內核完成系統(tǒng)管理任務，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡。操作系統(tǒng)的核心概念進程一個正在執(zhí)行的程序的實例，是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位。線程進程中的一個執(zhí)行單元，共享進程的資源，但擁有自己的執(zhí)行棧和程序計數(shù)器。內存管理管理計算機內存資源，分配和回收內存空間，提供虛擬內存等機制。文件管理管理存儲在磁盤上的文件和目錄，提供文件訪問和操作接口。進程管理進程管理是操作系統(tǒng)中最重要的功能之一，負責創(chuàng)建、調度和終止進程，以及分配和管理進程所需的系統(tǒng)資源。進程創(chuàng)建創(chuàng)建新進程的步驟包括：分配進程ID、分配內存空間、加載程序代碼和數(shù)據(jù)。進程調度進程調度算法決定了哪個進程應該獲得CPU資源，以最大程度地利用CPU時間，并提高系統(tǒng)性能。進程終止進程終止時，操作系統(tǒng)會釋放進程占用的所有資源，并將進程狀態(tài)設置為已終止。進程的狀態(tài)及轉換1就緒狀態(tài)進程已準備就緒，等待分配CPU2運行狀態(tài)進程正在執(zhí)行3阻塞狀態(tài)進程等待某個事件，例如I/O完成進程調度算法先來先服務(FCFS)按照進程到達的順序進行調度，簡單易實現(xiàn)，但可能導致短作業(yè)長時間等待，不公平。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)優(yōu)先調度預計執(zhí)行時間最短的進程，可以提高系統(tǒng)吞吐量，但需要提前知道作業(yè)長度，難以預測。優(yōu)先級調度根據(jù)進程優(yōu)先級進行調度，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先執(zhí)行，可以滿足重要任務的快速執(zhí)行，但需要合理設置優(yōu)先級。時間片輪轉將CPU時間分成時間片，每個進程輪流執(zhí)行一個時間片，適合交互式系統(tǒng)，但可能存在時間片過長或過短的問題。并發(fā)與同步并發(fā)多個進程或線程同時運行，但實際上可能交替執(zhí)行。同步多個進程或線程訪問共享資源時，需要協(xié)調它們的訪問，確保數(shù)據(jù)一致性。臨界區(qū)與互斥機制臨界區(qū)共享資源的代碼段，多個進程需要訪問，必須互斥訪問，避免數(shù)據(jù)競爭?；コ鈾C制確保一次只有一個進程訪問臨界區(qū)，通過信號量、鎖等機制實現(xiàn)。內存管理內存管理是操作系統(tǒng)最重要的功能之一，負責分配、管理和回收系統(tǒng)內存資源。內存分配操作系統(tǒng)負責將內存分配給不同的進程和程序。內存保護操作系統(tǒng)確保每個進程只能訪問分配給它的內存區(qū)域，防止其他進程的干擾。虛擬內存技術擴大地址空間虛擬內存允許程序使用比物理內存更大的地址空間，從而可以運行更大的程序。多任務處理虛擬內存允許多個進程共享物理內存，提高內存利用率。內存保護虛擬內存提供了內存保護機制，防止一個進程訪問另一個進程的內存空間。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，負責管理和組織存儲在計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和程序。文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)使用文件系統(tǒng)來組織文件，并提供對文件的訪問控制。文件操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、讀寫、復制、移動、重命名等文件操作。文件系統(tǒng)結構樹形結構大多數(shù)文件系統(tǒng)采用樹形結構，以目錄為節(jié)點，文件為葉子節(jié)點。層次結構文件系統(tǒng)以層次結構組織文件，方便用戶管理和訪問。網(wǎng)絡文件系統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)允許用戶訪問不同位置的網(wǎng)絡資源。文件系統(tǒng)操作1創(chuàng)建和刪除文件文件系統(tǒng)提供創(chuàng)建新文件和刪除現(xiàn)有文件的操作。2打開和關閉文件打開文件以進行讀寫操作，關閉文件釋放資源。3讀寫文件從文件讀取數(shù)據(jù)或寫入數(shù)據(jù)到文件。4重命名和移動文件修改文件名稱或將文件移至不同位置。輸入輸出管理操作系統(tǒng)管理和控制計算機系統(tǒng)的所有資源，包括輸入輸出設備。輸入輸出管理是操作系統(tǒng)中至關重要的組成部分，負責協(xié)調和控制硬件與軟件之間的交互，有效利用設備資源。設備驅動程序連接硬件和軟件的橋梁，提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件差異。設備分配分配和釋放硬件設備，確保不同應用程序能夠安全訪問設備資源。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，避免CPU等待I/O操作。設備管理硬件管理管理計算機系統(tǒng)中的硬件資源，例如CPU、內存、磁盤和外設。驅動程序管理負責加載、卸載和管理設備驅動程序，以使操作系統(tǒng)能夠與硬件設備進行交互。設備分配分配和管理設備資源，例如打印機、掃描儀和網(wǎng)絡接口，以供多個進程共享。設備訪問控制控制對設備的訪問權限，以確保數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定性。磁盤管理1數(shù)據(jù)存儲磁盤管理負責數(shù)據(jù)的存儲和檢索。2文件系統(tǒng)它管理文件系統(tǒng)，包括文件分配和組織。3物理磁盤它負責分配磁盤空間和管理物理磁盤。4性能優(yōu)化通過磁盤調度算法提升磁盤性能。安全性與保護機制操作系統(tǒng)必須提供安全機制，防止惡意用戶或程序破壞系統(tǒng)或其他用戶的資源。訪問控制限制用戶對系統(tǒng)資源的訪問權限。權限管理分配不同用戶或進程不同的操作權限。數(shù)據(jù)加密保護敏感數(shù)據(jù)的機密性。安全審計跟蹤系統(tǒng)活動，記錄安全事件。訪問控制與權限管理用戶身份驗證確保用戶是他們聲稱的人，防止未經授權的訪問。資源訪問控制限制用戶對系統(tǒng)資源（如文件、文件夾、程序）的訪問權限。權限管理分配不同的訪問權限給不同的用戶或用戶組。操作系統(tǒng)的引導啟動操作系統(tǒng)引導啟動是計算機啟動時執(zhí)行的第一步，它加載并初始化操作系統(tǒng)，為用戶提供一個可用的系統(tǒng)環(huán)境。1啟動引導計算機加電后，BIOS程序會讀取主引導記錄（MBR），并加載引導加載程序（BootLoader）。2操作系統(tǒng)加載引導加載程序會將操作系統(tǒng)內核加載到內存中，并開始執(zhí)行系統(tǒng)初始化操作。3系統(tǒng)初始化操作系統(tǒng)會初始化內存、硬件設備、文件系統(tǒng)等，并準備用戶界面，完成系統(tǒng)啟動過程。操作系統(tǒng)的安裝與配置下載安裝包從官方網(wǎng)站或可靠來源下載操作系統(tǒng)安裝包。啟動安裝程序將安裝包刻錄到光盤或使用USB啟動盤，然后啟動安裝程序。分區(qū)和格式化根據(jù)需要對硬盤進行分區(qū)和格式化，分配適當?shù)目臻g給操作系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)。安裝操作系統(tǒng)選擇語言、時間區(qū)域等設置，并按照提示進行安裝過程。配置基本設置完成安裝后，配置基本設置，例如用戶帳戶、網(wǎng)絡連接和驅動程序。Windows操作系統(tǒng)概述Windows是全球最流行的操作系統(tǒng)之一，擁有龐大的用戶群和廣泛的應用領域。圖形用戶界面Windows以其直觀的圖形用戶界面而聞名，易于學習和使用。豐富的應用程序Windows擁有龐大的軟件庫，涵蓋各種領域，滿足用戶的不同需求。Windows進程管理創(chuàng)建進程Windows使用CreateProcess函數(shù)創(chuàng)建進程，指定可執(zhí)行文件和參數(shù)。內存管理Windows采用分頁式內存管理，為每個進程分配獨立的虛擬地址空間。線程管理Windows支持多線程編程，允許在單個進程中創(chuàng)建多個線程，提高效率。Windows內存管理分頁式內存管理Windows使用分頁式內存管理，將物理內存劃分成固定大小的頁面，并將虛擬內存劃分為同樣大小的頁框。虛擬內存Windows使用虛擬內存來擴展可用內存，允許程序使用超過物理內存的內存空間。內存保護機制Windows提供內存保護機制，防止程序訪問其他程序的內存空間，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。Windows文件系統(tǒng)NTFS新技術文件系統(tǒng)(NTFS)是Windows的主要文件系統(tǒng)，它提供高級功能，例如：文件和文件夾權限磁盤配額壓縮文件加密文件FAT32文件分配表(FAT32)是一種較舊的文件系統(tǒng)，主要用于閃存設備，例如：USB閃存盤SD卡Windows設備驅動程序硬件抽象層Windows設備驅動程序充當操作系統(tǒng)和硬件之間的橋梁，提供硬件抽象層，簡化應用程序與設備的交互。驅動程序類型Windows支持多種類型的驅動程序，包括設備驅動程序、系統(tǒng)驅動程序、虛擬機驅動程序等，滿足不同硬件設備的需求。驅動程序開發(fā)Windows提供豐富的驅動程序開發(fā)工具和文檔，支持使用C++和C#等語言開發(fā)驅動程序，并提供調試和測試工具。Linux操作系統(tǒng)概述Linux是一款自由和開源的操作系統(tǒng)，在服務器、嵌入式系統(tǒng)和桌面環(huán)境中廣泛使用。它以其穩(wěn)定性、安全性、靈活性和強大的社區(qū)支持而聞名。1內核Linux內核是系統(tǒng)的核心，負責管理系統(tǒng)資源，如內存、處理器和外設。2用戶空間用戶空間包含用戶程序和應用程序，以及與內核交互的系統(tǒng)調用接口。3GNU工具集GNU工具集提供了一套基本的命令行工具和庫，用于構建和管理Linux系統(tǒng)。Linux進程管理進程樹結構Linux使用樹形結構組織進程，每個進程都有一個父進程，可以派生子進程，形成一個樹狀的進程關系。進程調度Linux內核使用多種調度算法來分配CPU時間，確保所有進程都能得到公平的運行機會。進程間通信Linux提供多種機制，允許進程之間相互傳遞信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)協(xié)作和數(shù)據(jù)共享。Linux內存管理虛擬內存Linux使用虛擬內存技術，將物理內存擴展到磁盤空間。進程地址空間每個進程擁有獨立的虛擬地址空間，防止相互干擾。頁面置換算法使用LRU等算法，選擇最少使用的頁面進行替換。Linux文件系統(tǒng)1層次結構Linux文件系統(tǒng)采用樹狀結構，以根目錄（/）為起點，包含各種子目錄和文件。2虛擬文件系統(tǒng)（VFS）VFS提供一個統(tǒng)一的接口，使應用程序可以訪問不同類型的