操作系統(tǒng)知識(shí)教學(xué)演講人：日期：REPORTINGREPORTINGCATALOGUE目錄操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)基本組成進(jìn)程與線程管理內(nèi)存管理技術(shù)文件系統(tǒng)詳解設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與網(wǎng)絡(luò)通信操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化01操作系統(tǒng)概述REPORTING定義操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的系統(tǒng)軟件。功能處理器管理、存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)管理、設(shè)備管理和用戶接口等。定義與功能手工操作階段用戶直接操作硬件，無(wú)操作系統(tǒng)。分時(shí)系統(tǒng)階段多個(gè)用戶通過(guò)終端同時(shí)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)階段網(wǎng)絡(luò)化、多用戶多任務(wù)、圖形用戶界面等。發(fā)展歷程及現(xiàn)狀01030504批處理階段引入批處理操作系統(tǒng)，提高計(jì)算機(jī)資源利用率。02桌面操作系統(tǒng)如Windows、macOS，提供圖形用戶界面，適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)。手機(jī)操作系統(tǒng)如iOS、Android，專為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)，觸摸操作、應(yīng)用豐富。服務(wù)器操作系統(tǒng)如Linux、WindowsServer，提供穩(wěn)定、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用于特定硬件設(shè)備，如智能家居、醫(yī)療設(shè)備。常見(jiàn)類型與特點(diǎn)02操作系統(tǒng)基本組成REPORTING內(nèi)核內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，提供基本的計(jì)算機(jī)功能，如進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。外殼外殼是用戶與操作系統(tǒng)交互的界面，包括圖形界面和命令行界面，通過(guò)外殼用戶可以方便地操作計(jì)算機(jī)和調(diào)用系統(tǒng)資源。內(nèi)核與外殼操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程管理模塊創(chuàng)建、執(zhí)行、暫停和終止進(jìn)程，并協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的通信和資源共享。進(jìn)程控制進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)的重要功能之一，通過(guò)合理的進(jìn)程調(diào)度算法，可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率和響應(yīng)時(shí)間。進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程管理模塊內(nèi)存管理模塊虛擬內(nèi)存當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，操作系統(tǒng)可以將部分內(nèi)存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到硬盤(pán)上，以擴(kuò)大內(nèi)存容量，這種技術(shù)稱為虛擬內(nèi)存。內(nèi)存分配操作系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用程序的需求，將內(nèi)存分配給各個(gè)程序，并管理內(nèi)存的使用和釋放，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)文件存儲(chǔ)、訪問(wèn)和管理的部分，通過(guò)文件和文件夾的層次結(jié)構(gòu)，用戶可以方便地組織和管理數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)管理文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理模塊操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)管理模塊，用于管理計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)安全等，使用戶可以方便地連接網(wǎng)絡(luò)并共享資源。010203進(jìn)程與線程管理REPORTING進(jìn)程概念及狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位，也是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)程定義進(jìn)程狀態(tài)包括就緒、運(yùn)行、阻塞等，狀態(tài)轉(zhuǎn)換由進(jìn)程控制塊（PCB）進(jìn)行管理和調(diào)度。進(jìn)程間通信方式包括管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存等，用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。進(jìn)程狀態(tài)通過(guò)進(jìn)程控制塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的管理和控制，包括進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷、阻塞、喚醒等操作。進(jìn)程控制01020403進(jìn)程間通信線程定義線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位，被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。線程概念及實(shí)現(xiàn)方式01線程優(yōu)點(diǎn)線程具有輕量、高效、資源共享等優(yōu)點(diǎn)，能夠充分利用多核處理器資源，提高系統(tǒng)的并發(fā)性和運(yùn)行效率。02線程實(shí)現(xiàn)線程的實(shí)現(xiàn)方式包括用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程，用戶級(jí)線程由用戶程序自己管理，內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行管理。03線程間通信線程間通信方式包括共享內(nèi)存、消息傳遞等，線程間通信比進(jìn)程間通信效率更高。04實(shí)時(shí)調(diào)度實(shí)時(shí)調(diào)度要求系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成特定任務(wù)，常用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。調(diào)度策略調(diào)度策略包括先來(lái)先服務(wù)（FCFS）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級(jí)調(diào)度等，用于決定進(jìn)程或線程的調(diào)度順序。調(diào)度算法調(diào)度算法包括輪轉(zhuǎn)法（RoundRobin）、多級(jí)隊(duì)列、多級(jí)反饋隊(duì)列等，用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程或線程的調(diào)度和管理。調(diào)度策略與算法同步機(jī)制用于協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程或線程之間的執(zhí)行順序，包括信號(hào)量、條件變量、事件等同步工具。同步機(jī)制互斥機(jī)制用于防止多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，包括互斥鎖、信號(hào)量等互斥工具，以保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性?；コ鈾C(jī)制同步與互斥機(jī)制不當(dāng)可能導(dǎo)致死鎖和饑餓問(wèn)題，需要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和方法進(jìn)行預(yù)防和處理。死鎖與饑餓同步與互斥機(jī)制04內(nèi)存管理技術(shù)REPORTING內(nèi)存分區(qū)與分頁(yè)機(jī)制內(nèi)存分區(qū)將內(nèi)存劃分為若干大小相等的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)存儲(chǔ)一個(gè)程序或數(shù)據(jù)，互不干擾。分頁(yè)機(jī)制優(yōu)點(diǎn)將程序的邏輯地址空間分成若干大小相等的頁(yè)面，再將內(nèi)存的物理地址空間分成相同大小的幀，通過(guò)頁(yè)表進(jìn)行映射。內(nèi)存分區(qū)有利于內(nèi)存的管理和保護(hù)，分頁(yè)機(jī)制則提高了內(nèi)存的利用率和程序的靈活性。虛擬內(nèi)存基于程序的局部性原理，通過(guò)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理功能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與硬盤(pán)之間的數(shù)據(jù)交換。原理應(yīng)用在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存技術(shù)可以為每個(gè)任務(wù)提供獨(dú)立的地址空間，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。將部分硬盤(pán)空間作為內(nèi)存的擴(kuò)展，當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，將不常用的數(shù)據(jù)或程序暫時(shí)存儲(chǔ)到硬盤(pán)上，以釋放內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存技術(shù)原理及應(yīng)用頁(yè)面置換算法比較按照頁(yè)面進(jìn)入內(nèi)存的先后順序進(jìn)行置換，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但可能產(chǎn)生Belady現(xiàn)象。FIFO（先進(jìn)先出）算法根據(jù)頁(yè)面最近被使用的情況進(jìn)行置換，性能較好，但需要較多的硬件支持。根據(jù)頁(yè)面未來(lái)的使用情況進(jìn)行置換，理論上性能最優(yōu)，但實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。LRU（最近最少使用）算法根據(jù)頁(yè)面被使用的頻率進(jìn)行置換，適用于需要保留常用頁(yè)面的情況。LFU（最少使用頻率）算法01020403OPT（最佳置換）算法內(nèi)存泄漏檢測(cè)通過(guò)代碼審查、工具檢測(cè)等方式，發(fā)現(xiàn)程序中存在的內(nèi)存泄漏問(wèn)題。防范方法采用自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制、定期回收不再使用的內(nèi)存、避免循環(huán)引用等措施，以減少內(nèi)存泄漏的發(fā)生。常見(jiàn)工具Valgrind、Purify等，可用于檢測(cè)C/C程序中的內(nèi)存泄漏問(wèn)題。內(nèi)存泄漏檢測(cè)與防范方法05文件系統(tǒng)詳解REPORTING文件是存儲(chǔ)在某種長(zhǎng)期存儲(chǔ)設(shè)備上的一段數(shù)據(jù)，它包含數(shù)據(jù)信息、文件類型、文件名、存儲(chǔ)位置等屬性。目錄結(jié)構(gòu)是文件系統(tǒng)中文件的組織方式，通常呈現(xiàn)為樹(shù)形結(jié)構(gòu)，包括根目錄、子目錄和文件等。路徑是指從根目錄開(kāi)始，依次經(jīng)過(guò)各級(jí)子目錄，最終到達(dá)目標(biāo)文件或目錄的位置。文件名是文件的唯一標(biāo)識(shí)，通常由字母、數(shù)字、符號(hào)等組成，用于區(qū)分不同文件。文件和目錄結(jié)構(gòu)定義文件目錄結(jié)構(gòu)路徑文件名訪問(wèn)權(quán)限控制策略訪問(wèn)權(quán)限訪問(wèn)權(quán)限是指對(duì)文件進(jìn)行讀、寫(xiě)、執(zhí)行等操作的權(quán)限。權(quán)限控制權(quán)限控制是通過(guò)設(shè)置不同用戶的權(quán)限來(lái)限制對(duì)文件的訪問(wèn)和操作，確保文件的安全性和完整性。訪問(wèn)控制列表（ACL）ACL是一種細(xì)粒度的權(quán)限控制方法，可以為每個(gè)文件或目錄設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限，以滿足多用戶環(huán)境下的安全需求。權(quán)限的繼承在目錄結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)權(quán)限的繼承來(lái)簡(jiǎn)化權(quán)限管理，即子目錄和文件默認(rèn)繼承父目錄的權(quán)限設(shè)置。備份與恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件備份是指將文件或數(shù)據(jù)復(fù)制到其他存儲(chǔ)設(shè)備上，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞?；謴?fù)是指從備份中還原數(shù)據(jù)或文件的過(guò)程。數(shù)據(jù)恢復(fù)軟件可以幫助用戶恢復(fù)誤刪除或損壞的文件，通過(guò)掃描存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)尋找并恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)RAID技術(shù)RAID技術(shù)是一種將多塊硬盤(pán)組合起來(lái)以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性的方法，它可以根據(jù)不同的RAID級(jí)別來(lái)提供不同的數(shù)據(jù)冗余和性能。文件系統(tǒng)恢復(fù)當(dāng)文件系統(tǒng)出現(xiàn)故障或損壞時(shí)，可以通過(guò)文件系統(tǒng)恢復(fù)來(lái)修復(fù)文件系統(tǒng)并恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。分布式文件系統(tǒng)（DFS）DFS是一種將文件分散存儲(chǔ)在多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上的文件系統(tǒng)，可以提供高可用性、高性能和可擴(kuò)展性。樹(shù)形結(jié)構(gòu)DFS通常采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)組織文件，用戶可以通過(guò)統(tǒng)一的命名空間來(lái)訪問(wèn)分布在不同節(jié)點(diǎn)上的文件。數(shù)據(jù)冗余與容錯(cuò)DFS通過(guò)數(shù)據(jù)冗余和容錯(cuò)技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性，即使某些節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，用戶仍然可以訪問(wèn)到其他節(jié)點(diǎn)上的副本。負(fù)載均衡DFS可以通過(guò)負(fù)載均衡技術(shù)來(lái)平衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的存儲(chǔ)和訪問(wèn)壓力，提高系統(tǒng)的整體性能。分布式文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介06設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與網(wǎng)絡(luò)通信REPORTING驅(qū)動(dòng)程序重要性如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序未能正確安裝或出現(xiàn)故障，硬件設(shè)備將無(wú)法正常工作，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。驅(qū)動(dòng)程序定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備進(jìn)行相互通信的特殊程序，相當(dāng)于硬件的接口。驅(qū)動(dòng)程序作用操作系統(tǒng)只有通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概念及作用網(wǎng)絡(luò)通信定義網(wǎng)絡(luò)通信需要遵循一定的通信協(xié)議，以確保信息的正確傳輸和理解。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括TCP/IP、HTTP、FTP等。通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信基本要素網(wǎng)絡(luò)通信需要具備三個(gè)基本要素，即通信雙方、通信鏈路和通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)通信是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)孤立的設(shè)備進(jìn)行連接，通過(guò)信息交換實(shí)現(xiàn)人與人、人與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)通信基本原理套接字編程接口介紹套接字定義套接字（Socket）是網(wǎng)絡(luò)通信中用于實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)之間進(jìn)程通信的一種機(jī)制，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。套接字類型根據(jù)通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸方式和特點(diǎn)，套接字可分為流式套接字（TCP）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字（UDP）等類型。套接字編程套接字編程是網(wǎng)絡(luò)編程的重要部分，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的套接字接口函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能。網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題探討網(wǎng)絡(luò)安全威脅網(wǎng)絡(luò)安全面臨著各種威脅，如黑客攻擊、病毒傳播、數(shù)據(jù)竊取等，這些威脅會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的機(jī)密性、完整性和可用性造成損害。網(wǎng)絡(luò)安全措施網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)為了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全，需要采取一系列措施，如安裝防火墻、使用加密技術(shù)、定期備份數(shù)據(jù)等。除了技術(shù)手段外，提高用戶的安全意識(shí)也是保障網(wǎng)絡(luò)安全的重要措施，如定期更換密碼、不隨意下載未知軟件等。07操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化REPORTING指系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求做出響應(yīng)的時(shí)間，包括平均響應(yīng)時(shí)間和最大響應(yīng)時(shí)間。指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理請(qǐng)求的能力，衡量系統(tǒng)處理能力的重要指標(biāo)。指系統(tǒng)資源（如CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)等）的利用率，過(guò)高或過(guò)低的資源利用率都可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。指系統(tǒng)在高負(fù)載情況下能否穩(wěn)定運(yùn)行，不出現(xiàn)崩潰或死機(jī)現(xiàn)象。性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法響應(yīng)時(shí)間吞吐量資源利用率穩(wěn)定性資源利用率提升途徑合理分配資源根據(jù)任務(wù)需求合理分配系統(tǒng)資源，避免資源閑置或過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)。優(yōu)化系統(tǒng)配置通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和配置，提高資源利用率和系統(tǒng)性能。虛擬化技術(shù)利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配和管理，提高資源利用率。負(fù)載均衡通過(guò)負(fù)載均衡技術(shù)將任務(wù)分散到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，提高整體資源利用率。日志分析通過(guò)查看系統(tǒng)日志，定位故障發(fā)生的原因和位置。系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。故障排除工具利用專業(yè)的故障排除工具，快速定位并解決故障。數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)定期備份重要數(shù)據(jù)，確保在系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)丟失時(shí)能夠快速恢復(fù)。