《操作系統(tǒng)第二章》課件1目錄contents操作系統(tǒng)概述進(jìn)程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理用戶接口與作業(yè)管理201操作系統(tǒng)概述3處理機(jī)管理分配和控制處理機(jī)資源。定義操作系統(tǒng)是一組控制和管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源、合理組織計(jì)算機(jī)工作流程以及方便用戶使用的程序的集合。存儲(chǔ)器管理負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配、保護(hù)和擴(kuò)充。文件管理支持文件的存取、修改等操作，解決數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、共享、保密和保護(hù)等問題。設(shè)備管理管理各類外圍設(shè)備，提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和接口。操作系統(tǒng)的定義與功能40102早期操作系統(tǒng)手工操作方式，用戶獨(dú)占全機(jī)，資源利用率低。批處理系統(tǒng)脫機(jī)輸入/輸出，多道程序運(yùn)行，提高了資源利用率和吞吐量。分時(shí)系統(tǒng)多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，每個(gè)用戶都好像是獨(dú)占計(jì)算機(jī)一樣。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部請(qǐng)求作出響應(yīng)，具有高可靠性和實(shí)時(shí)性。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操…實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的資源共享和各臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信與協(xié)同工作。030405操作系統(tǒng)的歷史與發(fā)展5特點(diǎn)自動(dòng)、順序、成批地處理作業(yè)。適用場(chǎng)景適用于追求系統(tǒng)資源的高利用率、大吞吐量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)6多路性、交互性、獨(dú)立性、及時(shí)性。特點(diǎn)適用于需要多個(gè)用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，且強(qiáng)調(diào)響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合。適用場(chǎng)景操作系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)7特點(diǎn)實(shí)時(shí)性、高可靠性。適用場(chǎng)景適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，如工業(yè)控制、航空航天等。操作系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)8資源共享、通信與協(xié)同工作。特點(diǎn)適用于需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的資源共享和各臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信與協(xié)同工作的場(chǎng)合。適用場(chǎng)景操作系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)902進(jìn)程管理10

進(jìn)程的概念與特性進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是程序的執(zhí)行過程。進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性等特性。進(jìn)程的狀態(tài)信息存儲(chǔ)在進(jìn)程控制塊PCB中，操作系統(tǒng)通過PCB對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理。11進(jìn)程的狀態(tài)包括就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)等。進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括就緒->執(zhí)行、執(zhí)行->就緒、執(zhí)行->阻塞、阻塞->就緒等。進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是由操作系統(tǒng)內(nèi)核中的調(diào)度程序和相關(guān)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換12PCB的組織方式有鏈接方式、索引方式等，操作系統(tǒng)通過PCB對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理和調(diào)度。PCB的創(chuàng)建和銷毀是由操作系統(tǒng)內(nèi)核中的相關(guān)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)的。PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)，包含進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符、狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、程序計(jì)數(shù)器、CPU寄存器等信息。進(jìn)程控制塊PCB13進(jìn)程調(diào)度算法包括先來先服務(wù)FCFS、短作業(yè)優(yōu)先SJF、優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法PSA、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)RR等。PSA算法根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，RR算法將CPU時(shí)間劃分成時(shí)間片，輪流為各個(gè)進(jìn)程服務(wù)。FCFS算法按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行服務(wù)，SJF算法根據(jù)進(jìn)程的服務(wù)時(shí)間進(jìn)行調(diào)度。不同的調(diào)度算法適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。進(jìn)程調(diào)度算法1403內(nèi)存管理15靜態(tài)分配在程序編譯或鏈接時(shí)確定程序在內(nèi)存中的位置，包括固定分區(qū)分配和動(dòng)態(tài)分區(qū)分配兩種方式。其中，固定分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為大小固定的分區(qū)，而動(dòng)態(tài)分區(qū)分配則根據(jù)程序大小動(dòng)態(tài)劃分內(nèi)存分區(qū)。動(dòng)態(tài)分配在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存空間，包括分頁(yè)式存儲(chǔ)管理和分段式存儲(chǔ)管理兩種方式。分頁(yè)式存儲(chǔ)管理將內(nèi)存劃分為大小相等的頁(yè)面，而分段式存儲(chǔ)管理則將程序劃分為多個(gè)邏輯段進(jìn)行內(nèi)存分配。回收策略當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束或不再需要某些內(nèi)存空間時(shí)，需要將這些空間回收以供其他程序使用。常見的回收策略包括引用計(jì)數(shù)法、標(biāo)記清除法和復(fù)制回收法等。內(nèi)存的分配與回收16確保程序只能訪問其被分配的內(nèi)存空間，防止越界訪問導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)泄露。邊界保護(hù)通過權(quán)限設(shè)置和身份驗(yàn)證等手段，限制程序?qū)?nèi)存的訪問權(quán)限，防止惡意程序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)存的非法訪問。訪問控制對(duì)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，以防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。內(nèi)存加密內(nèi)存保護(hù)與安全17虛擬內(nèi)存概念虛擬內(nèi)存是一種將物理內(nèi)存和磁盤空間結(jié)合起來使用的技術(shù)，通過地址映射機(jī)制將程序使用的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)在虛擬內(nèi)存技術(shù)中，請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)是一種常見的實(shí)現(xiàn)方式。它將程序的邏輯地址空間劃分為大小相等的頁(yè)面，當(dāng)程序需要訪問某個(gè)頁(yè)面時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢查該頁(yè)面是否已加載到內(nèi)存中，如果沒有則將其從磁盤中調(diào)入內(nèi)存。頁(yè)面置換算法當(dāng)內(nèi)存空間不足時(shí)，需要選擇一些頁(yè)面進(jìn)行置換以騰出空間供其他頁(yè)面使用。常見的頁(yè)面置換算法包括先進(jìn)先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）和最佳置換算法（OPT）等。虛擬內(nèi)存技術(shù)18先進(jìn)先出（FIFO）算法01該算法根據(jù)頁(yè)面進(jìn)入內(nèi)存的時(shí)間順序進(jìn)行置換，即最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面最先被置換出去。這種算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但可能導(dǎo)致較高的頁(yè)面缺失率。最近最少使用（LRU）算法02該算法根據(jù)頁(yè)面最近被訪問的時(shí)間進(jìn)行置換，即最近一段時(shí)間內(nèi)未被訪問的頁(yè)面最先被置換出去。這種算法能夠較好地反映程序的局部性原理，但需要維護(hù)一個(gè)訪問時(shí)間鏈表或棧結(jié)構(gòu)。最佳置換算法（OPT）算法03該算法是一種理論上的最優(yōu)算法，它選擇將來最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問的頁(yè)面進(jìn)行置換。由于需要預(yù)知未來的頁(yè)面訪問情況，因此在實(shí)際系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)，但可以作為評(píng)價(jià)其他算法性能的標(biāo)準(zhǔn)。頁(yè)面置換算法1904文件系統(tǒng)20文件是操作系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的基本單位，通常被組織成記錄或字節(jié)的序列。根據(jù)文件的性質(zhì)和用途，文件可分為普通文件、目錄文件、特殊文件等。文件的概念與分類文件的分類文件的概念21目錄是文件系統(tǒng)中用于組織和存儲(chǔ)文件的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也稱為文件夾。目錄的概念常見的目錄結(jié)構(gòu)有單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)、二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)和多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)又稱為樹形目錄結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中最常用的目錄結(jié)構(gòu)。目錄結(jié)構(gòu)文件目錄結(jié)構(gòu)22文件操作與訪問權(quán)限文件操作常見的文件操作包括創(chuàng)建文件、打開文件、讀文件、寫文件、關(guān)閉文件和刪除文件等。訪問權(quán)限為了保護(hù)文件的安全性和完整性，操作系統(tǒng)通常會(huì)對(duì)文件的訪問權(quán)限進(jìn)行控制。常見的訪問權(quán)限有讀權(quán)限、寫權(quán)限和執(zhí)行權(quán)限。23文件共享多個(gè)用戶或進(jìn)程可以同時(shí)訪問和使用同一個(gè)文件，這種機(jī)制稱為文件共享。文件共享可以提高數(shù)據(jù)的利用率和系統(tǒng)的效率。文件保護(hù)為了防止文件被非法訪問或破壞，操作系統(tǒng)會(huì)采取一系列措施來保護(hù)文件。常見的文件保護(hù)措施有加密、備份和恢復(fù)等。文件共享與保護(hù)2405設(shè)備管理2503設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能包括設(shè)備初始化、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)傳輸和錯(cuò)誤處理等。01設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的概念設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)中與硬件設(shè)備交互的軟件模塊，它提供了對(duì)設(shè)備的控制和管理功能。02設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的分類根據(jù)設(shè)備類型和工作原理，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可分為字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序26要點(diǎn)三中斷的概念中斷是指CPU在執(zhí)行程序過程中，由于外部或內(nèi)部事件（如設(shè)備請(qǐng)求、定時(shí)器溢出等）引起的程序執(zhí)行流程的改變。要點(diǎn)一要點(diǎn)二中斷處理的過程中斷處理包括中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)和中斷返回三個(gè)階段。在中斷響應(yīng)階段，CPU保存現(xiàn)場(chǎng)信息并跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序；在中斷服務(wù)階段，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)例程；在中斷返回階段，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)信息并返回到被中斷的程序。設(shè)備I/O操作設(shè)備I/O操作是指CPU與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸操作。在設(shè)備I/O操作中，CPU通過向設(shè)備發(fā)送控制命令來啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，并在數(shù)據(jù)傳輸完成后接收設(shè)備的狀態(tài)信息。要點(diǎn)三中斷處理與設(shè)備I/O27設(shè)備分配策略操作系統(tǒng)采用靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配兩種策略來分配設(shè)備資源。靜態(tài)分配策略在作業(yè)開始執(zhí)行前預(yù)先分配所需的設(shè)備資源，而動(dòng)態(tài)分配策略則在作業(yè)執(zhí)行過程中根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)備資源的分配。設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為了管理設(shè)備的分配情況，操作系統(tǒng)通常使用設(shè)備控制表、控制器控制表和通道控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄設(shè)備的狀態(tài)、控制器和通道的信息。設(shè)備回收過程當(dāng)作業(yè)執(zhí)行完畢或不再需要某個(gè)設(shè)備時(shí)，操作系統(tǒng)需要回收相應(yīng)的設(shè)備資源。設(shè)備回收過程包括釋放設(shè)備控制塊、更新相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及通知其他等待該設(shè)備的進(jìn)程等操作。設(shè)備分配與回收28設(shè)備獨(dú)立性是指應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備，即應(yīng)用程序只需使用邏輯設(shè)備名來請(qǐng)求使用設(shè)備，而無需關(guān)心實(shí)際物理設(shè)備的細(xì)節(jié)。操作系統(tǒng)通過引入邏輯設(shè)備名和物理設(shè)備名的概念來實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性。邏輯設(shè)備名是用戶程序使用的設(shè)備名稱，而物理設(shè)備名是實(shí)際物理設(shè)備的標(biāo)識(shí)。操作系統(tǒng)在接收到用戶程序的設(shè)備請(qǐng)求時(shí)，將邏輯設(shè)備名映射為相應(yīng)的物理設(shè)備名，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的獨(dú)立訪問。設(shè)備獨(dú)立性原理提高了系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，使得應(yīng)用程序可以方便地移植到其他具有不同設(shè)備的系統(tǒng)中運(yùn)行；同時(shí)，它也方便了用戶對(duì)設(shè)備的使用和管理。設(shè)備獨(dú)立性的概念設(shè)備獨(dú)立性原理的實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性原理的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備獨(dú)立性原理2906用戶接口與作業(yè)管理30用戶接口的重要性用戶接口是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響用戶對(duì)操作系統(tǒng)的使用體驗(yàn)和效率。用戶接口的定義用戶接口是操作系統(tǒng)與用戶之間的交互界面，它允許用戶通過命令、菜單、窗口等方式與操作系統(tǒng)進(jìn)行通信。用戶接口的分類根據(jù)交互方式的不同，用戶接口可分為命令行接口和圖形用戶界面（GUI）。用戶接口概述31作業(yè)是用戶在一次計(jì)算過程中要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所做的工作的集合，包括程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書。作業(yè)的定義作業(yè)的分類作業(yè)的狀態(tài)根據(jù)作業(yè)的性質(zhì)和運(yùn)行方式，作業(yè)可分為批處理作業(yè)、交互式作業(yè)和實(shí)時(shí)作業(yè)。作業(yè)在其生命周期中可能處于不同的狀態(tài)，如提交、后備、執(zhí)行、完成等。030201作業(yè)的概念與分類32ABCD作業(yè)調(diào)度算法先來先服務(wù)（FCFS）算法按照作業(yè)到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的作業(yè)先執(zhí)行。優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法為每個(gè)作業(yè)分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）算法根據(jù)作業(yè)的估計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)度，估計(jì)運(yùn)行時(shí)間短的作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。響應(yīng)比高者優(yōu)先（HRN）算法綜合考慮作業(yè)的等待時(shí)間和估計(jì)運(yùn)行時(shí)間，響應(yīng)比高的作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。33010203