2024年度第3章计算机操作系统

第3章计算机操作系统2024/3/241目录CONTENTS计算机操作系统概述进程管理内存管理文件系统设备管理用户界面和交互性支持2024/3/24201计算机操作系统概述2024/3/243处理机管理分配和控制处理机资源，实现多道程序并发执行。设备管理管理和控制计算机所有输入输出设备，提供设备驱动程序和接口。用户接口提供命令接口、程序接口和图形接口等，方便用户与操作系统进行交互。定义计算机操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、提供用户界面以及组织计算机工作流程的程序和数据的集合。存储器管理负责内存分配、回收、保护和扩充等，提高内存利用率。文件管理支持文件的存储、检索、修改等操作，实现文件的共享和保护。010203040506定义与功能2024/3/244用户直接使用机器语言编写程序，通过控制台开关操作计算机。手工操作阶段出现脱机输入/输出技术，将用户程序和数据通过外围设备提前输入到磁带上，由监督程序控制运行。批处理阶段发展历程及分类2024/3/245引入多道程序设计技术，允许多个程序同时进入内存并交替运行。多道程序系统阶段出现分时系统、实时系统、网络操作系统和分布式操作系统等。现代操作系统阶段发展历程及分类2024/3/246批处理操作系统如MS-DOS，用于处理批量作业。分时操作系统如UNIX、Linux，允许多个用户同时与计算机交互。发展历程及分类2024/3/247如VxWorks、RT-Thread，用于实时控制和数据采集等任务。实时操作系统网络操作系统分布式操作系统如WindowsServer、NovellNetWare，提供网络通信和网络服务等功能。如Amoeba、CORBA，实现分布式计算和处理。030201发展历程及分类2024/3/248操作系统需要硬件的支持才能实现其功能，如中断机制、内存管理等。与软件关系应用程序必须遵循操作系统的API和规范才能正确运行。与硬件关系操作系统也提供了硬件抽象层，使得应用程序可以独立于具体硬件进行开发。操作系统是软件的基础平台，提供了各种系统调用和库函数供应用程序使用。010203040506操作系统与硬件/软件关系2024/3/24902进程管理2024/3/2410进程定义01进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等特征。进程状态02进程在执行过程中会经历多种状态，如就绪状态、执行状态、阻塞状态等。这些状态之间会根据特定条件进行转换，如就绪->执行、执行->阻塞、阻塞->就绪等。进程控制块（PCB）03操作系统通过进程控制块来感知进程的存在，PCB中包含了进程的各种信息，如进程标识符、处理器状态、进程优先级等。进程概念及状态转换2024/3/2411根据不同的调度目标和策略，进程调度算法可分为先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度（PriorityScheduling）、时间片轮转（RR）等。调度算法分类进程调度的时机包括进程创建、进程结束、阻塞和唤醒等。在调度时机到来时，操作系统会保存当前进程的上下文信息，选择新的进程并执行上下文切换。调度时机与切换多级反馈队列调度算法结合了多种调度算法的优点，根据进程的性质和需求将其分配到不同的队列中，并为每个队列设置不同的优先级和调度策略。多级反馈队列调度进程调度算法与策略2024/3/2412同步原语为了避免并发进程之间的冲突和竞争条件，操作系统提供了一系列同步原语，如信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）、条件变量（ConditionVariable）等。进程通信方式进程之间需要进行信息交换和数据共享，常见的进程通信方式包括管道（Pipe）、消息队列（MessageQueue）、共享内存（SharedMemory）和套接字（Socket）等。死锁与饥饿问题在进程同步和通信过程中，可能会出现死锁和饥饿问题。死锁是指两个或多个进程因争夺资源而造成的一种相互等待的现象；饥饿则是指某些进程长时间得不到服务的情况。为了避免这些问题，需要采用合适的同步机制和资源分配策略。进程同步与通信机制2024/3/241303内存管理2024/3/2414

内存空间分配与回收方法静态分配方法在程序编译或链接时确定内存需求，并一次性分配所需内存空间，包括固定分区分配和可变分区分配两种方式。动态分配方法在程序运行时根据需要动态申请和释放内存空间，如使用malloc()和free()函数进行内存管理。垃圾回收机制自动检测并回收不再使用的内存空间，减轻程序员管理内存的负担，如Java等高级语言中的垃圾回收器。2024/3/2415虚拟内存概念请求分页系统页面置换算法虚拟内存的应用虚拟内存技术原理及应用01020304将物理内存抽象为虚拟内存，使得程序可以使用比实际物理内存更大的内存空间。将程序的逻辑地址空间划分为大小相等的页面，当页面被访问时，才将其调入内存。当内存空间不足时，选择将某些页面调出内存，包括先进先出、最近最少使用等算法。提高内存利用率，支持多道程序设计和大型程序的运行。2024/3/2416内存保护机制访问权限控制安全策略内存泄露检测与防范内存保护与安全策略确保程序只能访问其分配的内存空间，防止越界访问和非法操作。采用加密、签名等安全策略，确保内存数据的机密性、完整性和可用性。对内存的访问权限进行控制，如只读、读写等，防止程序对内存的非法修改。及时发现并修复内存泄露问题，避免系统资源的浪费和安全隐患。2024/3/241704文件系统2024/3/2418文件是计算机中存储数据的基本单位，通常是一组相关数据的集合，可以包含文本、图像、音频、视频等各种类型的数据。文件概念文件组织结构是指文件在存储介质上的组织方式，常见的文件组织结构有顺序结构、链接结构和索引结构。其中，顺序结构将文件数据按照顺序连续存储在存储介质上；链接结构通过指针将分散的文件数据块链接起来；索引结构通过建立索引表来管理和访问文件数据。文件组织结构文件概念及组织结构2024/3/2419访问权限控制为了保证文件的安全性和保密性，操作系统需要对文件的访问进行权限控制。常见的文件访问权限包括读权限、写权限和执行权限。操作系统可以根据用户身份和文件属性来设置不同的访问权限。访问控制列表（ACL）ACL是一种更为灵活的文件访问权限控制方法，它允许为文件和目录指定一组用户和组，并分别设置它们的访问权限。通过ACL，可以实现更细粒度的权限控制，满足复杂的安全需求。文件访问权限控制方法2024/3/2420文件共享在计算机网络环境中，多个用户可能需要共享某些文件。操作系统需要提供文件共享机制，使得不同用户能够方便地访问和使用共享文件。常见的文件共享方式包括基于网络协议的文件共享和分布式文件系统。文件保护为了保护文件的完整性和安全性，操作系统需要采取一系列文件保护措施。例如，通过定期备份文件以防数据丢失；采用加密技术保护文件内容不被非法获取；使用防火墙和入侵检测系统等手段防止网络攻击对文件的破坏。文件共享与保护机制2024/3/242105设备管理2024/3/2422设备驱动程序是操作系统中与硬件设备交互的软件模块，它提供了对设备的抽象和控制功能。设备驱动程序概念设备驱动程序通常由设备控制块、中断处理程序、设备服务例程等部分组成。设备驱动程序结构设备驱动程序的实现包括编写设备控制块、处理设备中断、实现设备服务例程等步骤。设备驱动程序实现设备驱动程序原理及实现2024/3/2423设备分配与回收策略设备分配策略包括独占分配、共享分配和虚拟分配三种方式。独占分配方式下，一个设备只能分配给一个进程使用；共享分配方式下，多个进程可以共享使用同一个设备；虚拟分配方式下，通过虚拟技术将物理设备映射为逻辑设备，实现设备的动态分配。设备分配策略设备回收策略包括立即回收和延迟回收两种方式。立即回收方式下，当进程不再使用设备时，操作系统立即回收设备；延迟回收方式下，操作系统会等待一段时间再回收设备，以便其他进程能够继续使用。设备回收策略2024/3/2424设备独立性概念设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备，即应用程序只需使用逻辑设备名称即可访问物理设备。设备独立性原理设备独立性通过引入逻辑设备和物理设备的概念来实现。逻辑设备是应用程序使用的抽象设备，而物理设备是实际存在的硬件设备。操作系统负责将逻辑设备映射到相应的物理设备上。设备独立性应用设备独立性使得应用程序的编写更加简单、灵活和可移植。同时，它也方便了设备的更换和升级，因为应用程序无需修改即可适应新的物理设备。设备独立性原理及应用2024/3/242506用户界面和交互性支持2024/3/2426命令和参数应遵循统一的命名和格式规范。命令应简短且易于记忆，避免使用复杂的命令和参数。命令行界面设计原则和实现方法简洁性一致性2024/3/2427可扩展性：支持自定义命令和参数，以满足用户的特殊需求。命令行界面设计原则和实现方法2024/3/2428对用户输入的命令进行解析，提取出命令名和参数。命令解析根据解析结果调用相应的命令处理函数，执行用户请求的操作。命令执行将命令执行结果以文本形式返回给用户，以便用户了解操作结果。结果反馈命令行界面设计原则和实现方法2024/3/2429图形用户界面（GUI）设计要素和技巧窗口提供应用程序与用户交互的主要界面，包括标题栏、菜单栏、工具栏等。控件用于接收用户输入或显示信息的图形元素，如按钮、文本框、列表框等。2024/3/2430事件：用户对控件的操作，如点击、拖动、输入等，触发相应的事件处理函数。图形用户界面（GUI）设计要素和技巧2024/3/2431提供反馈通过视觉、听觉等多种方式向用户提供操作反馈，增强用户体验。保持一致性遵循统一的界面设计风格和操作习惯，降低用户学习成本。支持自定义允许用户根据个人喜好调整界面元素和布局，提高用户满意度。图形用户界面（GUI）设计要素和技巧2024/3/2432VS确保每个用户具有唯一的身份标识，防止非法访问和数据泄露。权限管理根据用户角色和职责分配不同的操作权限，实现按需知密和最小权限原则。用户身份认证多用户、多任务环境下的交互性支持2024/3/2433会话管理：为每个用户建立独立的会话环境，确保用户间操作和数据的隔离性。多用户、多任