操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分，它管理著硬件資源和軟件資源，為用戶提供一個友好的使用環(huán)境。課程目標(biāo)11.理解操作系統(tǒng)基本概念學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的基本概念和重要概念，如進(jìn)程、線程、內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)等。22.掌握操作系統(tǒng)工作原理深入了解操作系統(tǒng)的工作原理，包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理和I/O管理等。33.運(yùn)用操作系統(tǒng)知識解決實(shí)際問題能夠?qū)⒉僮飨到y(tǒng)知識應(yīng)用于實(shí)際問題，例如優(yōu)化系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)效率等。44.培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力通過學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，提高計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用水平。課程大綱操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)的定義、功能、目標(biāo)和分類。進(jìn)程管理進(jìn)程概念、進(jìn)程狀態(tài)、進(jìn)程控制、進(jìn)程通信、進(jìn)程同步。內(nèi)存管理內(nèi)存分配策略、虛擬內(nèi)存、頁面置換算法。文件管理文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、文件操作、目錄管理。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是管理計算機(jī)硬件和軟件資源的軟件。它提供了用戶與計算機(jī)之間的接口，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機(jī)的內(nèi)存、文件系統(tǒng)、進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)等資源，為用戶提供安全、高效、友好的使用體驗(yàn)。操作系統(tǒng)的功能資源管理操作系統(tǒng)管理計算機(jī)系統(tǒng)資源，包括處理器、內(nèi)存、存儲器和外設(shè)。進(jìn)程管理操作系統(tǒng)控制和管理進(jìn)程的創(chuàng)建、執(zhí)行和終止。安全管理操作系統(tǒng)提供安全措施，保護(hù)系統(tǒng)免受惡意訪問和破壞。用戶界面操作系統(tǒng)提供用戶與計算機(jī)交互的方式，例如圖形用戶界面或命令行界面。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源2系統(tǒng)調(diào)用接口用戶程序與內(nèi)核交互的橋梁3系統(tǒng)程序提供用戶程序所需的工具和服務(wù)4用戶程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是一個層次化的結(jié)構(gòu)，由內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用接口、系統(tǒng)程序和用戶程序組成。進(jìn)程管理進(jìn)程的概念一個正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，擁有自己的內(nèi)存空間和資源。進(jìn)程調(diào)度操作系統(tǒng)如何分配CPU時間給多個進(jìn)程。進(jìn)程通信進(jìn)程之間共享數(shù)據(jù)和資源的方式，如管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存。進(jìn)程同步協(xié)調(diào)多個進(jìn)程訪問共享資源，防止數(shù)據(jù)沖突和死鎖。線程輕量級進(jìn)程線程是進(jìn)程的一部分，是進(jìn)程的執(zhí)行單元。線程比進(jìn)程更輕量級，創(chuàng)建和銷毀更快。多個線程共享同一個進(jìn)程的資源，如地址空間、文件等。并發(fā)執(zhí)行一個進(jìn)程可以創(chuàng)建多個線程，多個線程可以并發(fā)執(zhí)行，提高程序效率。線程之間的切換比進(jìn)程之間的切換更快，因此可以更好地利用CPU時間片。CPU調(diào)度CPU調(diào)度是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理CPU資源，決定哪個進(jìn)程或線程可以獲得CPU的使用權(quán)。CPU調(diào)度算法直接影響系統(tǒng)性能，例如響應(yīng)時間、吞吐量和資源利用率等。1先來先服務(wù)最簡單的調(diào)度算法，按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。2最短作業(yè)優(yōu)先每次選擇運(yùn)行時間最短的進(jìn)程。3優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級高的進(jìn)程優(yōu)先獲得CPU。4時間片輪轉(zhuǎn)每個進(jìn)程分配一個時間片，依次執(zhí)行，時間片用完則切換到下一個進(jìn)程。5多級反饋隊(duì)列多個隊(duì)列，根據(jù)進(jìn)程的特性和優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。死鎖互斥條件多個進(jìn)程競爭一個資源，只能由一個進(jìn)程使用。占有并等待條件一個進(jìn)程已經(jīng)占有了至少一個資源，但又需要另外一個資源，而該資源被另一個進(jìn)程占用。不可剝奪條件進(jìn)程已經(jīng)占用的資源不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行剝奪，只能由該進(jìn)程自己釋放。循環(huán)等待條件存在一個循環(huán)的進(jìn)程等待資源，例如P1等待P2的資源，P2等待P3的資源，P3等待P1的資源。死鎖的處理1預(yù)防死鎖通過設(shè)置資源分配規(guī)則和限制進(jìn)程請求資源的方式來防止死鎖發(fā)生，例如，銀行家算法。2避免死鎖在資源分配過程中，動態(tài)地檢測和避免死鎖的出現(xiàn)，例如，資源分配圖算法。3檢測與解除死鎖監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，檢測死鎖，并通過回滾、搶占或終止進(jìn)程等方式解除死鎖。內(nèi)存管理內(nèi)存管理概述操作系統(tǒng)管理內(nèi)存資源。負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率。同時需要防止進(jìn)程之間相互干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。內(nèi)存管理的目標(biāo)最大化內(nèi)存利用率提高系統(tǒng)性能保護(hù)用戶程序和數(shù)據(jù)提供靈活的內(nèi)存分配機(jī)制虛擬存儲器擴(kuò)展內(nèi)存空間虛擬內(nèi)存允許程序使用超過物理內(nèi)存的地址空間，可以訪問超出物理內(nèi)存大小的數(shù)據(jù)。硬盤作為擴(kuò)展內(nèi)存虛擬內(nèi)存利用硬盤作為輔助存儲器，將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在硬盤上，以模擬更大容量的內(nèi)存。提高系統(tǒng)效率虛擬內(nèi)存通過將部分未使用的數(shù)據(jù)移至硬盤，提高了多任務(wù)處理的效率。頁面置換算法最佳頁面置換算法該算法選擇未來最長時間不會被訪問的頁面進(jìn)行替換，但無法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)先出（FIFO）算法該算法選擇在內(nèi)存中駐留時間最長的頁面進(jìn)行替換，簡單易實(shí)現(xiàn)但性能較差。最近最少使用（LRU）算法該算法選擇最近最少使用的頁面進(jìn)行替換，性能較好，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。時鐘頁面置換算法該算法是一種近似LRU算法，通過維護(hù)一個循環(huán)隊(duì)列，用訪問位來記錄頁面的使用情況。文件管理11.文件存儲文件管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲在磁盤等存儲設(shè)備上，并管理這些存儲空間。22.文件組織文件組織是指根據(jù)文件類型、創(chuàng)建時間等屬性將文件進(jìn)行分類和管理，以便于用戶快速查找和訪問。33.文件訪問文件管理系統(tǒng)提供各種方法供用戶訪問文件，包括創(chuàng)建、刪除、修改、復(fù)制和移動等操作。44.文件保護(hù)文件管理系統(tǒng)還負(fù)責(zé)保護(hù)文件安全，防止非法訪問和修改，例如設(shè)置訪問權(quán)限和加密等措施。目錄結(jié)構(gòu)11.樹形結(jié)構(gòu)大多數(shù)文件系統(tǒng)采用樹形結(jié)構(gòu)組織文件和目錄，方便查找和管理。22.根目錄樹形結(jié)構(gòu)的根目錄是文件系統(tǒng)的起始點(diǎn)，所有其他目錄和文件都在它的子樹中。33.路徑路徑是訪問文件或目錄的地址，可以是絕對路徑或相對路徑。44.文件名文件名是每個文件的唯一標(biāo)識，包含擴(kuò)展名，可以識別文件類型。文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用樹狀結(jié)構(gòu)組織文件和目錄，以便進(jìn)行有效管理和訪問。磁盤管理文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將文件存儲在磁盤上，并提供機(jī)制管理磁盤空間和文件分配。安全與權(quán)限文件系統(tǒng)通過訪問控制列表（ACL）等機(jī)制保護(hù)文件安全，并控制用戶對文件的訪問權(quán)限。I/O子系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O設(shè)備指操作系統(tǒng)管理的硬件設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、硬盤等。I/O設(shè)備根據(jù)其速度和數(shù)據(jù)傳輸方式可分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。I/O控制操作系統(tǒng)控制和管理I/O設(shè)備，確保應(yīng)用程序安全地訪問它們。通過I/O控制器，操作系統(tǒng)可以進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序加載、中斷處理、緩沖區(qū)管理等操作。設(shè)備驅(qū)動程序硬件接口設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，它們提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口供操作系統(tǒng)調(diào)用。管理設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)控制設(shè)備的操作，例如啟動、停止、讀寫數(shù)據(jù)等，并處理設(shè)備中斷和錯誤。系統(tǒng)資源驅(qū)動程序還負(fù)責(zé)管理設(shè)備的資源，例如內(nèi)存、中斷、I/O端口等。磁盤管理磁盤空間分配磁盤空間分配策略，例如連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配等。文件系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)管理包括目錄結(jié)構(gòu)、文件訪問控制、文件保護(hù)等。磁盤備份與恢復(fù)備份重要數(shù)據(jù)以防意外丟失，并提供恢復(fù)策略。作業(yè)管理作業(yè)管理的概念作業(yè)管理是指操作系統(tǒng)管理用戶提交的作業(yè)，從提交到完成的整個過程。作業(yè)管理負(fù)責(zé)接收用戶作業(yè)，分配系統(tǒng)資源，并調(diào)度作業(yè)執(zhí)行。作業(yè)管理的功能作業(yè)管理的主要功能包括作業(yè)的接收、作業(yè)的調(diào)度、作業(yè)的執(zhí)行、作業(yè)的撤銷和作業(yè)的完成。作業(yè)管理確保系統(tǒng)資源的合理分配和利用，并提高系統(tǒng)效率。作業(yè)調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)最簡單的調(diào)度算法，按作業(yè)到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇運(yùn)行時間最短的作業(yè)，提高系統(tǒng)吞吐量。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)作業(yè)的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)(RR)每個作業(yè)輪流執(zhí)行一段時間片，實(shí)現(xiàn)公平性。多級反饋隊(duì)列將作業(yè)分層調(diào)度，提高響應(yīng)時間和吞吐量。用戶接口圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)提供直觀的交互方式，使用圖形元素和鼠標(biāo)操作，提高用戶體驗(yàn)。命令行界面命令行界面(CLI)使用文本命令與操作系統(tǒng)交互，適合專業(yè)用戶和自動化操作。觸摸屏界面觸摸屏界面為移動設(shè)備提供直觀的交互方式，支持手勢操作和觸控輸入。虛擬現(xiàn)實(shí)界面虛擬現(xiàn)實(shí)界面提供沉浸式交互體驗(yàn)，使用VR設(shè)備模擬真實(shí)環(huán)境，用于游戲、教育和培訓(xùn)。命令解釋器用戶與內(nèi)核橋梁命令解釋器是用戶與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的橋梁，它接受用戶輸入的命令并將其解釋為內(nèi)核能夠理解的操作。命令解析和執(zhí)行命令解釋器負(fù)責(zé)解析用戶輸入的命令，將其分解為內(nèi)核能夠理解的指令，并調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行這些指令。交互式界面命令解釋器通常提供交互式界面，允許用戶輸入命令并立即獲得反饋，這使得用戶能夠方便地與操作系統(tǒng)交互。批處理腳本命令解釋器還可以執(zhí)行批處理腳本，這是一種預(yù)先編寫的一系列命令，可以自動執(zhí)行特定任務(wù)，提高工作效率。圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)提供友好的用戶交互方式，使用圖形元素、菜單、窗口和圖標(biāo)來代替命令行界面。GUI使操作系統(tǒng)的使用更加直觀和易于學(xué)習(xí)，即使沒有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶也能輕松使用。實(shí)時操作系統(tǒng)實(shí)時性實(shí)時操作系統(tǒng)要求系統(tǒng)對事件作出及時響應(yīng)，通常用于控制工業(yè)設(shè)備或嵌入式系統(tǒng)。確定性實(shí)時操作系統(tǒng)需要確定響應(yīng)時間，確保系統(tǒng)在預(yù)定時間內(nèi)完成任務(wù)?？煽啃詫?shí)時操作系統(tǒng)必須高度可靠，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ糜陉P(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序，如航空航天或醫(yī)療設(shè)備。嵌入式操作系統(tǒng)專用性嵌入式操作系統(tǒng)通常為特定硬件和應(yīng)用程序定制設(shè)計，具有高度的專用性。資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理器速度和存儲空間，需要精簡的操作系統(tǒng)設(shè)計。實(shí)時性許多嵌入式應(yīng)用需要實(shí)時響應(yīng)，例如控制系統(tǒng)或工業(yè)自動化，要求操作系統(tǒng)具有高實(shí)時性。可靠性嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中，需要高度的可靠性和穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。分布式操作系統(tǒng)資源共享多個計算機(jī)協(xié)同工作，共享資源，如硬件、軟件和數(shù)據(jù)。透明性用戶對分布式系統(tǒng)的感知如同單機(jī)系統(tǒng)，屏蔽分布式系統(tǒng)細(xì)節(jié)。高可用性通過冗余節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可以容忍部分節(jié)點(diǎn)故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。可擴(kuò)展性通過添加新的節(jié)點(diǎn)，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的處理能力，滿足不斷增長的需求。云操作系統(tǒng)虛擬化云操作系統(tǒng)通過虛擬化技術(shù)，將物理資源劃分為多個虛擬資源。彈性可以根據(jù)用戶的需求動態(tài)調(diào)整資源分配，實(shí)現(xiàn)按需使用。分布式云操作系統(tǒng)分布在多個數(shù)據(jù)中心，提供高可用性和容錯能力。服務(wù)化將操作系統(tǒng)功能抽象為服務(wù)，用戶可以按需使用。未來操作系統(tǒng)的發(fā)展云計算集成未來操作系統(tǒng)將更加緊密地與云計算平臺集成，提供更強(qiáng)大的資源共享和服務(wù)能力。人工智能融入人工智能將進(jìn)一步融入操作系統(tǒng)，提升系統(tǒng)效率和安全性，實(shí)現(xiàn)更智能化的管