操作系統(tǒng)課件2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTINGWENKUDESIGNWENKUDESIGNWENKUDESIGNWENKUDESIGNWENKU目錄CATALOGUE引言進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件管理設(shè)備管理并發(fā)與同步控制安全與保護(hù)機(jī)制性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化技術(shù)引言PART01操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一種軟件，用于管理和控制計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，為應(yīng)用程序提供一個(gè)良好的執(zhí)行環(huán)境。定義操作系統(tǒng)的功能包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、設(shè)備管理和用戶界面管理等。功能操作系統(tǒng)的定義與功能第一代操作系統(tǒng)（1940s-1950s）：穿孔卡片、批處理系統(tǒng)。第二代操作系統(tǒng)（1960s）：多道程序、分時(shí)系統(tǒng)。第三代操作系統(tǒng)（1970s-1980s）：個(gè)人計(jì)算機(jī)、圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)功能等。第四代操作系統(tǒng)（1990s至今）：移動(dòng)計(jì)算、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等。01020304操作系統(tǒng)的歷史與發(fā)展批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等。服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等。操作系統(tǒng)的分類與應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域分類進(jìn)程管理PART02進(jìn)程狀態(tài)包括就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括創(chuàng)建狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)以及各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。進(jìn)程控制塊（PCB）描述進(jìn)程狀態(tài)和信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)程相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)地址、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)等。進(jìn)程定義進(jìn)程是程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程的概念與狀態(tài)轉(zhuǎn)換先來(lái)先服務(wù)（FCFS）調(diào)度算法按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致長(zhǎng)進(jìn)程等待時(shí)間較長(zhǎng)。選擇執(zhí)行時(shí)間最短的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行，可縮短平均等待時(shí)間，但需要預(yù)知進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間。按照時(shí)間片大小輪流執(zhí)行進(jìn)程，保證每個(gè)進(jìn)程都有執(zhí)行機(jī)會(huì)，適用于分時(shí)系統(tǒng)。根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。可靈活調(diào)整優(yōu)先級(jí)以適應(yīng)不同需求。短進(jìn)程優(yōu)先（SJF）調(diào)度算法時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）調(diào)度算法優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法進(jìn)程調(diào)度算法進(jìn)程同步協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程之間的執(zhí)行順序，避免出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件和死鎖等問(wèn)題。常見(jiàn)的同步機(jī)制包括信號(hào)量、互斥鎖、條件變量等。進(jìn)程通信實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程之間的信息交換和共享。常見(jiàn)的通信方式包括管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號(hào)等。進(jìn)程同步與通信機(jī)制內(nèi)存管理PART03內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)包括寄存器、高速緩存、主存、磁盤緩存和磁盤，各級(jí)之間速度、容量和價(jià)格差異明顯。地址映射將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，包括靜態(tài)映射和動(dòng)態(tài)映射兩種方法，涉及地址重定位、頁(yè)表、段表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)與地址映射包括連續(xù)分配、非連續(xù)分配（分頁(yè)、分段、段頁(yè)式）等策略，涉及內(nèi)存碎片、外部碎片等問(wèn)題。內(nèi)存分配策略包括立即回收、延遲回收等策略，涉及內(nèi)存泄漏、抖動(dòng)等問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)高效的內(nèi)存管理算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)存回收策略內(nèi)存分配與回收策略頁(yè)面置換算法包括最近未使用（LRU）、先進(jìn)先出（FIFO）、時(shí)鐘算法等，用于在內(nèi)存不足時(shí)選擇需要置換的頁(yè)面。實(shí)現(xiàn)方法包括軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩種方法，軟件實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)高效的頁(yè)面置換算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，硬件實(shí)現(xiàn)需要利用專門的硬件支持。頁(yè)面置換算法及實(shí)現(xiàn)文件管理PART04操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的軟件機(jī)構(gòu)。文件系統(tǒng)定義文件系統(tǒng)組成文件類型包括文件、文件控制塊（FCB）、文件目錄和磁盤存儲(chǔ)空間等部分。按性質(zhì)和用途可分為系統(tǒng)文件、用戶文件和庫(kù)文件等。030201文件系統(tǒng)的基本概念與組成樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的文件目錄結(jié)構(gòu)，由根目錄、子目錄和文件組成。文件目錄結(jié)構(gòu)絕對(duì)路徑法和相對(duì)路徑法是兩種常用的目錄訪問(wèn)方法。目錄訪問(wèn)方法包括目錄的建立、刪除、修改和查詢等操作。目錄管理文件目錄結(jié)構(gòu)及訪問(wèn)方法鏈接分配采用離散分配方式，每個(gè)文件分配一個(gè)磁盤塊，通過(guò)鏈接指針連接各個(gè)塊。解決了外部碎片問(wèn)題，但存在訪問(wèn)效率低和可靠性差的問(wèn)題。連續(xù)分配將文件連續(xù)存儲(chǔ)在磁盤上，適用于順序訪問(wèn)，但存在外部碎片問(wèn)題。索引分配為每個(gè)文件建立一張索引表，記錄文件各個(gè)邏輯塊對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)。提高了訪問(wèn)效率和可靠性，但需要額外的索引塊空間。文件存儲(chǔ)空間管理策略設(shè)備管理PART05跟蹤設(shè)備狀態(tài)、分配與回收設(shè)備、控制設(shè)備操作、提供設(shè)備接口功能提高設(shè)備利用率、方便用戶使用、保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定目標(biāo)設(shè)備管理的功能與目標(biāo)VS控制特定設(shè)備的軟件程序，向上提供統(tǒng)一的設(shè)備接口，向下與硬件交互工作原理應(yīng)用程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求設(shè)備服務(wù)，操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備類型和請(qǐng)求參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件交互完成設(shè)備操作，并將結(jié)果返回給應(yīng)用程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及其工作原理根據(jù)設(shè)備類型、請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)和系統(tǒng)狀態(tài)等因素，選擇合適的設(shè)備分配給應(yīng)用程序使用當(dāng)應(yīng)用程序使用完設(shè)備后，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)回收設(shè)備并更新系統(tǒng)狀態(tài)，以便其他應(yīng)用程序可以使用該設(shè)備分配策略回收策略設(shè)備分配與回收策略并發(fā)與同步控制PART06并發(fā)執(zhí)行指兩個(gè)或多個(gè)程序在同一時(shí)間段內(nèi)同時(shí)運(yùn)行，宏觀上看起來(lái)像是同時(shí)執(zhí)行，微觀上仍是交替執(zhí)行。并發(fā)執(zhí)行帶來(lái)的問(wèn)題資源共享、進(jìn)程協(xié)作、競(jìng)爭(zhēng)條件和臨界資源等。并發(fā)執(zhí)行的概念及問(wèn)題03實(shí)現(xiàn)同步與互斥的機(jī)制信號(hào)量機(jī)制、管程機(jī)制、消息傳遞機(jī)制等。01進(jìn)程間同步指多個(gè)進(jìn)程中存在制約關(guān)系時(shí)，為協(xié)調(diào)各進(jìn)程的執(zhí)行順序而采取的措施。02進(jìn)程間互斥指當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在訪問(wèn)臨界資源時(shí)，其他進(jìn)程必須等待，以保證對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)。進(jìn)程間同步與互斥機(jī)制死鎖現(xiàn)象指多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而造成的一種僵局，若無(wú)外力作用，這些進(jìn)程都將永遠(yuǎn)不能再向前推進(jìn)。死鎖產(chǎn)生的必要條件互斥條件、請(qǐng)求和保持條件、不剝奪條件、環(huán)路等待條件。死鎖的預(yù)防策略破壞死鎖產(chǎn)生的必要條件之一，如摒棄“請(qǐng)求和保持”條件、順序資源分配法等。死鎖現(xiàn)象及預(yù)防策略安全與保護(hù)機(jī)制PART07保密性完整性可用性追責(zé)性操作系統(tǒng)安全需求與挑戰(zhàn)01020304確保用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息不被未經(jīng)授權(quán)的實(shí)體獲取和使用。防止未經(jīng)授權(quán)的實(shí)體對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行修改、刪除或破壞。確保合法用戶能夠按需使用系統(tǒng)資源和服務(wù)，防止拒絕服務(wù)攻擊。在系統(tǒng)出現(xiàn)異常或安全事件時(shí)，能夠進(jìn)行追蹤和溯源，以便及時(shí)處理和追責(zé)。采用用戶名/密碼、生物特征識(shí)別等技術(shù)，確保用戶身份合法性和真實(shí)性。身份認(rèn)證機(jī)制根據(jù)用戶角色和權(quán)限，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行訪問(wèn)控制，防止越權(quán)操作。訪問(wèn)控制策略記錄用戶操作和系統(tǒng)事件，進(jìn)行審計(jì)和監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全問(wèn)題。審計(jì)與監(jiān)控用戶身份認(rèn)證與訪問(wèn)控制采用地址映射、訪問(wèn)權(quán)限控制等技術(shù)，防止用戶進(jìn)程非法訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存。內(nèi)存保護(hù)設(shè)置文件訪問(wèn)權(quán)限、采用加密技術(shù)等，確保文件數(shù)據(jù)不被非法獲取和篡改。文件保護(hù)采用進(jìn)程隔離技術(shù)，防止不同用戶進(jìn)程之間的干擾和攻擊。進(jìn)程隔離系統(tǒng)資源保護(hù)與隔離技術(shù)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化技術(shù)PART08衡量操作系統(tǒng)對(duì)外部請(qǐng)求作出響應(yīng)的速度。響應(yīng)時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)操作系統(tǒng)完成的任務(wù)數(shù)量。吞吐量如CPU、內(nèi)存、磁盤等資源的使用情況。資源利用率操作系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。系統(tǒng)穩(wěn)定性操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系合理分配CPU、內(nèi)存等資源，提高系統(tǒng)整體性能。資源調(diào)度優(yōu)化利用多核處理器和并發(fā)編程提高系統(tǒng)吞吐量。并行與并發(fā)技術(shù)通過(guò)緩存常用數(shù)據(jù)和指令，減少訪問(wèn)延遲，提高性能。緩存技術(shù)通過(guò)虛擬化實(shí)現(xiàn)硬件資源的共享，提高資源利用率。虛擬化技術(shù)性能優(yōu)化技術(shù)與方法論述根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載特點(diǎn)調(diào)整內(nèi)核參數(shù)，提高性能。內(nèi)核參數(shù)調(diào)整文件系統(tǒng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化安全性能優(yōu)化選擇適合的文件系統(tǒng)類型，進(jìn)行掛載參數(shù)調(diào)整等。調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，