操作系統(tǒng)課件張堯?qū)W匯報(bào)人：XX目錄01操作系統(tǒng)基礎(chǔ)05輸入輸出系統(tǒng)04文件系統(tǒng)02進(jìn)程管理03內(nèi)存管理06操作系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)基礎(chǔ)PART01操作系統(tǒng)定義01操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的中介，負(fù)責(zé)管理硬件資源并提供用戶界面。02操作系統(tǒng)提供進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等核心服務(wù)，確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。03操作系統(tǒng)通過(guò)抽象層隱藏硬件復(fù)雜性，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口和運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)作為中介核心功能與服務(wù)抽象層的構(gòu)建操作系統(tǒng)功能操作系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度算法管理進(jìn)程，確保CPU資源合理分配，提高系統(tǒng)效率。進(jìn)程管理內(nèi)存管理功能包括內(nèi)存分配、回收以及虛擬內(nèi)存技術(shù)，保證程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存需求。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)來(lái)組織、存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)，支持文件的創(chuàng)建、刪除、讀寫等操作。文件系統(tǒng)設(shè)備管理負(fù)責(zé)控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備，包括輸入輸出設(shè)備的調(diào)度和分配。設(shè)備管理操作系統(tǒng)分類單用戶操作系統(tǒng)如MS-DOS，允許多任務(wù)但一次只服務(wù)一個(gè)用戶；多用戶系統(tǒng)如Unix，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用。按用戶數(shù)分類通用操作系統(tǒng)如Windows，適用于多種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；嵌入式操作系統(tǒng)如VxWorks，專為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)。按用途分類操作系統(tǒng)分類實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如QNX，能及時(shí)響應(yīng)外部事件；非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如Linux，對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格。01按實(shí)時(shí)性分類微內(nèi)核操作系統(tǒng)如Minix，內(nèi)核功能最小化；宏內(nèi)核操作系統(tǒng)如Windows，內(nèi)核功能較多。02按內(nèi)核類型分類進(jìn)程管理PART02進(jìn)程概念進(jìn)程是操作系統(tǒng)中一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，包括程序代碼、當(dāng)前活動(dòng)、程序計(jì)數(shù)器和寄存器的內(nèi)容。進(jìn)程的定義進(jìn)程在其生命周期中會(huì)經(jīng)歷創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、阻塞和終止等狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)調(diào)度決定。進(jìn)程狀態(tài)每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程控制塊，用于存儲(chǔ)進(jìn)程狀態(tài)信息、程序計(jì)數(shù)器、CPU寄存器和內(nèi)存管理信息等。進(jìn)程控制塊(PCB)進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度算法包括先來(lái)先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等，決定進(jìn)程執(zhí)行順序。調(diào)度算法01020304上下文切換是進(jìn)程調(diào)度的一部分，涉及保存和恢復(fù)進(jìn)程狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的快速切換。上下文切換操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，確保高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程獲得更多的CPU時(shí)間。優(yōu)先級(jí)調(diào)度實(shí)時(shí)調(diào)度算法保證關(guān)鍵任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，適用于對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用，如嵌入式系統(tǒng)。實(shí)時(shí)調(diào)度進(jìn)程同步在操作系統(tǒng)中，互斥鎖用于控制對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)，防止多個(gè)進(jìn)程同時(shí)操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。互斥鎖的使用01信號(hào)量是一種廣泛使用的同步機(jī)制，通過(guò)PV操作來(lái)控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)順序和數(shù)量。信號(hào)量機(jī)制02條件變量與互斥鎖結(jié)合使用，允許進(jìn)程在某些條件不滿足時(shí)掛起，直到其他進(jìn)程改變條件并發(fā)出通知。條件變量03內(nèi)存管理PART03內(nèi)存分配在編譯時(shí)確定內(nèi)存大小，如C語(yǔ)言中的全局變量，分配后大小不可變。靜態(tài)內(nèi)存分配運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要分配內(nèi)存，如C++中的new和delete操作符，可靈活調(diào)整內(nèi)存大小。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配操作系統(tǒng)將物理內(nèi)存分割成固定大小的頁(yè)，通過(guò)頁(yè)表管理虛擬地址到物理地址的映射。分頁(yè)內(nèi)存管理將內(nèi)存分為不同段，每個(gè)段有特定用途，如代碼段、數(shù)據(jù)段，便于管理和保護(hù)。分段內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)管理的一種內(nèi)存技術(shù)，它允許系統(tǒng)使用硬盤空間作為臨時(shí)內(nèi)存。虛擬內(nèi)存的概念01當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)頁(yè)面置換算法決定哪些內(nèi)存頁(yè)面被移出到硬盤，以釋放空間。頁(yè)面置換算法02虛擬內(nèi)存使得程序可以使用比實(shí)際物理內(nèi)存更大的地址空間，提高了多任務(wù)處理能力。虛擬內(nèi)存的優(yōu)勢(shì)03虛擬內(nèi)存管理不當(dāng)可能導(dǎo)致頁(yè)面錯(cuò)誤頻繁，影響系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)。虛擬內(nèi)存的挑戰(zhàn)04內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)存隔離技術(shù)，確保不同進(jìn)程的內(nèi)存空間互不干擾，防止數(shù)據(jù)泄露和非法訪問(wèn)。內(nèi)存隔離內(nèi)存頁(yè)保護(hù)機(jī)制通過(guò)設(shè)置內(nèi)存頁(yè)的讀寫執(zhí)行權(quán)限，防止程序越界訪問(wèn)或執(zhí)行未授權(quán)的代碼。內(nèi)存頁(yè)保護(hù)使用訪問(wèn)控制列表對(duì)內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行權(quán)限管理，只有授權(quán)的進(jìn)程才能訪問(wèn)特定的內(nèi)存資源。訪問(wèn)控制列表（ACL）文件系統(tǒng)PART04文件概念文件是操作系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)信息的基本單位，它具有唯一標(biāo)識(shí)和屬性，如文件名、大小和類型。文件的定義文件屬性包括創(chuàng)建時(shí)間、修改日期、訪問(wèn)權(quán)限等，這些信息幫助用戶管理和保護(hù)文件內(nèi)容。文件的屬性文件類型決定了文件的格式和用途，例如文本文件、圖像文件、可執(zhí)行文件等，每種類型都有其特定的處理方式。文件的類型文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤、SSD等介質(zhì)上，通過(guò)邏輯塊管理物理存儲(chǔ)空間。01文件系統(tǒng)通過(guò)目錄樹結(jié)構(gòu)組織文件，便于用戶管理和檢索文件資源。02文件系統(tǒng)采用連續(xù)分配、鏈接分配或索引分配等策略管理文件數(shù)據(jù)塊。03文件系統(tǒng)包含文件屬性、權(quán)限、位置等元數(shù)據(jù)信息，用于維護(hù)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。04文件存儲(chǔ)介質(zhì)目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件分配策略文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)文件操作在操作系統(tǒng)中，用戶可以通過(guò)命令或圖形界面創(chuàng)建新文件，并在不再需要時(shí)刪除文件。文件的創(chuàng)建與刪除文件操作包括讀取文件內(nèi)容到內(nèi)存和將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入文件，是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。文件的讀取與寫入用戶可以更改文件名或?qū)⑵鋸囊粋€(gè)目錄移動(dòng)到另一個(gè)目錄，以更好地組織文件系統(tǒng)。文件的重命名與移動(dòng)操作系統(tǒng)允許用戶設(shè)置文件的訪問(wèn)權(quán)限，如只讀、讀寫等，以保護(hù)文件數(shù)據(jù)安全。文件的權(quán)限設(shè)置輸入輸出系統(tǒng)PART05I/O硬件基礎(chǔ)01I/O接口I/O接口是硬件與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信的橋梁，如USB、HDMI等，它們定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和速率。02I/O設(shè)備I/O設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等，它們是用戶與計(jì)算機(jī)交互的工具，負(fù)責(zé)輸入和輸出數(shù)據(jù)。03中斷機(jī)制中斷機(jī)制允許I/O設(shè)備在需要時(shí)打斷CPU的正常工作流程，以響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)效率。I/O軟件管理緩沖管理中斷處理程序0103緩沖管理策略用于優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率，減少設(shè)備與CPU之間的速度不匹配問(wèn)題，提高系統(tǒng)效率。操作系統(tǒng)通過(guò)中斷處理程序響應(yīng)硬件事件，如鍵盤輸入或打印機(jī)狀態(tài)變化，確保數(shù)據(jù)正確傳輸。02設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備通信的橋梁，負(fù)責(zé)控制特定設(shè)備的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為操作系統(tǒng)與硬件之間的橋梁，負(fù)責(zé)控制和管理硬件設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用用戶在操作系統(tǒng)中安裝新硬件時(shí)，通常需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，且定期更新以保證兼容性和性能。驅(qū)動(dòng)程序的安裝與更新驅(qū)動(dòng)程序的漏洞可能成為系統(tǒng)安全的隱患，因此需要定期進(jìn)行安全更新和維護(hù)。驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)安全PART06安全威脅例如，勒索軟件WannaCry迅速傳播，影響全球數(shù)萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)，造成嚴(yán)重?cái)?shù)據(jù)損失。惡意軟件攻擊內(nèi)部人員濫用權(quán)限，如愛(ài)德華·斯諾登泄露美國(guó)國(guó)家安全局機(jī)密，暴露了內(nèi)部安全風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)部人員威脅操作系統(tǒng)中的未修復(fù)漏洞可能被黑客利用，如Heartbleed漏洞曾威脅眾多網(wǎng)站安全。系統(tǒng)漏洞利用010203訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)通過(guò)密碼、生物識(shí)別或多因素認(rèn)證確保只有授權(quán)用戶能訪問(wèn)系統(tǒng)資源。用戶身份驗(yàn)證0102定義用戶權(quán)限，如讀、寫、執(zhí)行等，確保用戶只能訪問(wèn)其被授權(quán)的文件和程序。權(quán)限管理03操作系統(tǒng)記錄訪問(wèn)日志，監(jiān)控異常行為，幫助發(fā)現(xiàn)和防止未授權(quán)訪問(wèn)和安全威脅。審計(jì)與監(jiān)控加密技術(shù)01對(duì)稱加密使用同一密鑰進(jìn)行加密和解密，如AES算法廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)保護(hù)和通信安全。02非對(duì)稱加密使用一對(duì)密鑰，公鑰加密的信息只能用私鑰解密，如RSA算法用于安全的網(wǎng)絡(luò)通信。03哈希函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)