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操作系统原理课件

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目录

操作系统概述

进程管理

内存管理

文件系统

设备管理

操作系统安全

操作系统概述

01

操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。

定义

提供用户与计算机硬件系统之间的接口；管理系统资源；提供软件的开发与运行环境。

功能

真空管和穿孔卡片，无操作系统概念。

第一代（1940s-1950s）

晶体管和批处理系统，出现操作系统雏形。

第二代（1950s-1960s）

集成电路和多道程序系统，分时操作系统和实时操作系统得到发展。

第三代（1960s-1980s）

大规模集成电路和微处理器，个人计算机和移动设备的操作系统得到广泛应用。

第四代（1980s至今）

个人计算机操作系统

分时操作系统

允许多个用户同时与一台计算机进行交互，每个用户都获得独立的操作环境。

网络操作系统

提供网络通信和网络服务功能的操作系统，如WindowsServer、Linux等。

分布式操作系统

通过网络将多个独立的计算机连接成一个整体，实现资源共享和协同工作。

将用户提交的作业成批处理，提高系统资源利用率。

批处理操作系统

实时操作系统

对外部输入作出及时响应，常用于工业控制、航空航天等领域。

为个人计算机提供图形用户界面和丰富的应用软件支持，如Windows、macOS等。

进程管理

02

进程的定义

进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，是程序的执行过程。

进程的状态

进程在执行过程中会经历多种状态，如新建、就绪、运行、阻塞和终止等。

进程控制块PCB

每个进程都有一个唯一的进程控制块PCB，用于存储进程的标识符、状态、优先级、程序计数器、内存指针等信息。

PCB是进程存在的唯一标识，操作系统通过PCB来感知进程的存在，并对其进行控制和管理。

PCB的作用

PCB的内容

PCB的组织方式

PCB包含了进程的各种信息，如进程标识符、处理机状态、进程调度信息和进程控制信息等。

PCB可以采用线性方式、链接方式或索引方式进行组织。

03

02

01

先来先服务（FCFS）调度算法

按照进程到达的先后顺序进行调度，先到达的进程先得到服务。

短作业优先（SJF）调度算法

根据进程的服务时间进行调度，服务时间短的进程优先得到服务。

优先级调度算法

根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先得到服务。

时间片轮转（RR）调度算法

将CPU时间划分为固定大小的时间片，每个进程分配一个时间片，轮流执行。

进程同步

多个进程在执行过程中需要协调其推进速度，以保证正确的执行顺序和结果。常见的同步机制有信号量、管程和消息传递等。

进程通信

进程之间需要交换数据和信息以实现协作。常见的通信方式有共享内存、消息队列、管道和信号等。

死锁问题

多个进程在竞争资源时可能陷入一种僵局，每个进程都在等待其他进程释放资源，从而导致所有进程都无法继续执行。解决死锁问题的方法有预防死锁、避免死锁、检测死锁和解除死锁等。

内存管理

03

静态分配

在程序运行时动态申请和释放内存，如可变分区分配、页式分配和段式分配。

动态分配

回收策略

包括立即回收和延迟回收两种策略，以及常用的内存回收算法如引用计数法、标记-清除法和复制法等。

在程序编译或链接时确定内存分配，如固定分区分配。

通过设置界限寄存器来限制程序对内存的访问范围，防止越界访问。

界限寄存器保护

通过设置内存页的访问权限，防止程序对未授权内存的访问。

访问权限保护

通过对内存数据进行加密，防止敏感数据被窃取或篡改。

内存加密保护

将内存和外存结合起来，为用户提供一种比实际物理内存大得多的逻辑内存空间。

虚拟内存概念

将用户程序的逻辑地址空间划分为若干个固定大小的页面，当页面被访问时，才将其调入内存。

请求分页系统

将用户程序的逻辑地址空间划分为若干个可变长度的段，每个段对应一个逻辑实体，如数据段、代码段等。

请求分段系统

先进先出算法（FIFO）

选择最早进入内存的页面进行置换。

选择最近最久未使用的页面进行置换。

选择未来最长时间不会被访问的页面进行置换，需要预知未来的页面访问序列。

是一种改进的FIFO算法，通过设置一个循环指针来模拟时钟的转动，选择指针所指向的页面进行置换。

最近最久未使用算法（LRU）

最优算法（OPT）

时钟算法（CLOCK）

文件系统

04

文件的概念

文件是操作系统中存储和管理数据的基本单位，通常是一组相关信息的集合。

文件的分类

根据文件的性质和用途，文件可分为普通文件、目录文件、特殊文件等。

目录的概念

目录是文件系统中存储文件信息的数据库，它记录了文件的名字、位置、大小、创建时间等信息。

目录结构

常见的目录结构有单级目录结构、二级目录结构和多级目录结构。多级目录结构又称为树形目录结构，