現(xiàn)代操作系統(tǒng)課程介紹日期：}演講人：目錄操作系統(tǒng)概述進程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)管理操作系統(tǒng)實驗與實踐課程總結(jié)與展望操作系統(tǒng)概述01定義操作系統(tǒng)是一組管理計算機硬件和軟件資源的系統(tǒng)軟件。功能處理器管理、存儲管理、文件系統(tǒng)管理、設(shè)備管理和用戶接口等。操作系統(tǒng)的定義和功能手工操作階段批處理系統(tǒng)階段基于圖形用戶界面和多媒體技術(shù)的操作系統(tǒng)，如Windows、Linux等。現(xiàn)代操作系統(tǒng)階段要求計算機能夠及時響應(yīng)外部事件，并在規(guī)定時間內(nèi)完成處理。實時系統(tǒng)階段允許多個用戶通過終端同時使用計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機交互。分時系統(tǒng)階段用戶直接操作計算機硬件，沒有操作系統(tǒng)。通過批處理的方式，將多個用戶作業(yè)組織成批處理作業(yè)，以提高計算機資源的利用率。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)的分類（如批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)等）批處理系統(tǒng)將多個用戶作業(yè)組織成批處理作業(yè)，由操作系統(tǒng)按照預(yù)定順序自動執(zhí)行。分時系統(tǒng)允許多個用戶通過終端同時使用計算機系統(tǒng)，采用時間共享的方式為每個用戶提供服務(wù)。實時系統(tǒng)能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成特定任務(wù)的系統(tǒng)，分為硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)嵌入到特定硬件或設(shè)備中的專用操作系統(tǒng)，如智能家居、智能手機等。進程管理02進程進程（Process）是計算機中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進行資源分配的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。線程線程（Thread）是操作系統(tǒng)能夠進行運算調(diào)度的最小單位，被包含在進程之中，是進程中的實際運作單位。進程和線程的概念進程狀態(tài)進程狀態(tài)反映進程在執(zhí)行過程中的變化情況，通常包括就緒、運行、阻塞等幾種狀態(tài)。生命周期進程從創(chuàng)建、就緒、運行、阻塞到終止的整個過程稱為進程的生命周期。進程狀態(tài)和生命周期進程調(diào)度算法（如先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）先來先服務(wù)（FCFS）按照進程到達的先后順序進行調(diào)度，先請求的進程先被分配CPU資源。短作業(yè)優(yōu)先（SJF）輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Round-Robin）選擇運行時間最短的進程優(yōu)先調(diào)度，以平均等待時間最短為目標。每個進程被分配一個時間片，輪流占用CPU資源，時間片用完則讓出CPU給其他進程使用。123信號量互斥鎖（Mutex）是一種用于保證共享數(shù)據(jù)操作完整性的機制，每個對象都對應(yīng)于一個互斥鎖標記，保證在任一時刻只有一個線程訪問該對象。互斥鎖條件變量條件變量（ConditionVariable）是線程中的等待某條件發(fā)生的一種機制，類似于信號，可以用來實現(xiàn)線程間的同步與協(xié)調(diào)。信號量（Semaphore）是一種用于控制多個線程對共享資源進行訪問的設(shè)施，可以保證兩個或多個關(guān)鍵代碼段不被并發(fā)調(diào)用。進程同步與互斥（信號量、互斥鎖、條件變量等）內(nèi)存管理03內(nèi)存管理的概念內(nèi)存管理的定義是指軟件運行時對計算機內(nèi)存資源的分配和使用的技術(shù)。內(nèi)存管理的目的高效、快速地分配內(nèi)存資源，并在適當(dāng)?shù)臅r候釋放和回收這些資源。內(nèi)存管理的重要性對于計算機系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，能夠有效避免內(nèi)存泄漏和內(nèi)存碎片問題。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存的定義是一種計算機系統(tǒng)內(nèi)存管理的技術(shù)，它使得應(yīng)用程序認為它擁有連續(xù)的可用的內(nèi)存。030201虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)原理通過將不常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到磁盤上，從而釋放出內(nèi)存空間給正在運行的應(yīng)用程序使用。虛擬內(nèi)存的優(yōu)點可以擴大內(nèi)存容量，提高內(nèi)存利用率，優(yōu)化內(nèi)存分配和管理。分頁機制是一種操作系統(tǒng)里存儲器管理的技術(shù)，可以使電腦的主存可以使用存儲在輔助存儲器中的數(shù)據(jù)。分頁與分段的比較分頁是信息的物理單位，分段是信息的邏輯單位；分頁對用戶不可見，分段對用戶可見；分頁的地址空間是一維的，分段的地址空間是二維的。分頁和分段的共同點都可以提高內(nèi)存利用率，方便內(nèi)存管理和保護，并且都可以和虛擬內(nèi)存技術(shù)結(jié)合使用。分段機制是一種內(nèi)存管理機制，它將程序的地址空間分成若干段，每段包含一部分程序或數(shù)據(jù)。分頁和分段機制頁面置換算法（如最近最少使用、先進先出等）根據(jù)最近一段時間內(nèi)頁面被使用的頻率來選擇要淘汰的頁面，認為最近最少使用的頁面在未來被使用的可能性也最小。最近最少使用（LRU）算法按照頁面進入內(nèi)存的先后順序來選擇要淘汰的頁面，即先進入的頁面先被淘汰。需要根據(jù)實際的應(yīng)用場景和系統(tǒng)性能要求來選擇合適的頁面置換算法，以達到最佳的內(nèi)存管理效果。先進先出（FIFO）算法根據(jù)頁面被使用的次數(shù)來選擇要淘汰的頁面，使用次數(shù)最少的頁面將被淘汰。最少使用（LFU）算法01020403頁面置換算法的選擇文件系統(tǒng)04文件和文件系統(tǒng)的基本概念文件文件是存儲信息的基本單位，包括文本、圖像、音頻、視頻等各種類型。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責(zé)管理文件的軟件機構(gòu)，包括文件的存儲、檢索、共享和保護等功能。文件系統(tǒng)的類型包括層次文件系統(tǒng)、網(wǎng)狀文件系統(tǒng)和分布式文件系統(tǒng)等。文件系統(tǒng)的組成部分文件系統(tǒng)的接口、對對象操縱和管理的軟件集合以及對象及屬性。文件的目錄結(jié)構(gòu)包括樹形目錄和平面目錄等，用于組織和管理文件。文件的組織和訪問方法01文件的訪問方式包括順序訪問、隨機訪問和索引訪問等，不同的訪問方式適用于不同的應(yīng)用場景。02文件的存儲結(jié)構(gòu)包括連續(xù)存儲和鏈式存儲等，決定了文件的存儲方式和訪問效率。03文件的共享和保護通過訪問控制、加密和備份等方式，保護文件的共享和安全。04FAT文件系統(tǒng)FAT（FileAllocationTable）文件系統(tǒng)是最早期的文件系統(tǒng)之一，它采用鏈表的方式記錄磁盤空間的分配情況，簡單易懂，但容易產(chǎn)生碎片。NTFS（NewTechnologyFileSystem）是Windows操作系統(tǒng)的主要文件系統(tǒng)，支持長文件名、大文件、文件壓縮和加密等特性。ext4是Linux操作系統(tǒng)中常用的文件系統(tǒng)，支持大容量存儲、高性能和強穩(wěn)定性，是現(xiàn)代Linux系統(tǒng)的標準文件系統(tǒng)之一。除了FAT、NTFS和ext4之外，還有許多其他文件系統(tǒng)，如UFS、XFS、ReiserFS等，每種文件系統(tǒng)都有其獨特的特點和適用場景。NTFS文件系統(tǒng)ext4文件系統(tǒng)其他文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)的實現(xiàn)（如FAT、NTFS、ext4等）01020304通過訪問控制、加密和備份等措施，保護文件不被未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問、修改或刪除。通過文件鎖定、事務(wù)處理等方式，保證多個用戶或程序?qū)ν晃募M行訪問時的數(shù)據(jù)一致性。在文件被誤刪或損壞時，通過備份、日志等方式進行數(shù)據(jù)恢復(fù)，保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。通過安裝殺毒軟件、定期掃描磁盤等措施，防止病毒對文件系統(tǒng)的破壞和數(shù)據(jù)的篡改。文件系統(tǒng)的安全性和一致性文件的安全性文件的一致性數(shù)據(jù)恢復(fù)病毒防護輸入/輸出(I/O)管理05顯示器、打印機、音響等。輸出設(shè)備硬盤、U盤、光盤、SD卡等。存儲設(shè)備01020304鍵盤、鼠標、掃描儀、攝像頭等。輸入設(shè)備網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。通信設(shè)備I/O設(shè)備的分類和特性I/O控制方式（如程序控制、中斷驅(qū)動、DMA等）程序控制I/O程序直接控制I/O設(shè)備，CPU需要等待I/O操作的完成。中斷驅(qū)動I/OI/O設(shè)備完成操作后向CPU發(fā)出中斷信號，CPU在適當(dāng)時候響應(yīng)中斷并處理數(shù)據(jù)。DMA（DirectMemoryAccess）I/ODMA控制器直接控制I/O設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換，不需要CPU干預(yù)。通道I/O通過通道控制器管理多個I/O設(shè)備，實現(xiàn)更高效的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動程序的組成設(shè)備驅(qū)動程序通常由一組函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，包括初始化函數(shù)、讀寫函數(shù)、控制函數(shù)等。驅(qū)動程序的開發(fā)和測試驅(qū)動程序開發(fā)完成后需要進行嚴格的測試，包括單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試，以確保其穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序需要考慮設(shè)備的物理特性、數(shù)據(jù)傳輸方式、錯誤處理等因素，并確保驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備的兼容性。設(shè)備驅(qū)動程序的概念設(shè)備驅(qū)動程序是連接硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)之間的橋梁，負責(zé)將操作系統(tǒng)的指令轉(zhuǎn)化為硬件能夠理解的信號。設(shè)備驅(qū)動程序的概念和設(shè)計操作系統(tǒng)實驗與實踐06Linux環(huán)境下的操作系統(tǒng)實驗學(xué)習(xí)如何在不同硬件上安裝、配置Linux系統(tǒng)，掌握分區(qū)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)配置等基礎(chǔ)知識。安裝與配置Linux操作系統(tǒng)掌握Linux環(huán)境下的常用命令和工具，如文件操作、權(quán)限管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)配置等。深入了解Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)內(nèi)核編譯、模塊開發(fā)、內(nèi)核調(diào)試等高級技術(shù)。Linux常用命令與工具學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)編程，包括shell腳本編寫、進程間通信、文件I/O操作等。Linux系統(tǒng)編程01020403Linux內(nèi)核分析與開發(fā)實現(xiàn)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機制，包括虛擬內(nèi)存、分頁、分段、內(nèi)存分配與回收等。內(nèi)存管理設(shè)計并實現(xiàn)進程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步、通信和終止等機制，確保系統(tǒng)的并發(fā)性和穩(wěn)定性。進程管理實現(xiàn)一個簡單的文件系統(tǒng)，包括文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除、目錄結(jié)構(gòu)等，以及文件系統(tǒng)的掛載和卸載。文件系統(tǒng)學(xué)習(xí)設(shè)備驅(qū)動的編寫和調(diào)試，掌握字符設(shè)備、塊設(shè)備的驅(qū)動原理，以及中斷處理和設(shè)備管理等關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)備驅(qū)動操作系統(tǒng)關(guān)鍵部分的實現(xiàn)Windows操作系統(tǒng)深入了解Windows操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、啟動流程、注冊表、文件系統(tǒng)、進程與線程管理等核心內(nèi)容。移動操作系統(tǒng)了解iOS、Android等主流移動操作系統(tǒng)的特點和架構(gòu)，學(xué)習(xí)移動應(yīng)用的開發(fā)、調(diào)試和發(fā)布流程，掌握移動設(shè)備的安全和隱私保護技術(shù)。服務(wù)器操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)服務(wù)器操作系統(tǒng)的安裝、配置和管理，包括Linux、WindowsServer等，掌握常用的服務(wù)器軟件和服務(wù)，如Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器等。Unix/Linux操作系統(tǒng)掌握Unix/Linux操作系統(tǒng)的使用和管理，包括系統(tǒng)安裝、用戶管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)配置等，熟悉Unix/Linux系統(tǒng)下的開發(fā)工具和環(huán)境。主流操作系統(tǒng)的深度剖析與操作實踐課程總結(jié)與展望07課程學(xué)習(xí)成果總結(jié)了解操作系統(tǒng)的概念、發(fā)展歷史和分類01掌握操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)資源管理者的基本功能和作用，了解操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程和分類方法。掌握操作系統(tǒng)的資源管理功能02深入了解操作系統(tǒng)的處理器管理、存儲管理、文件系統(tǒng)管理和設(shè)備管理等核心功能，以及這些功能如何協(xié)同工作。熟悉典型操作系統(tǒng)的使用和管理03掌握Windows、Linux等主流操作系統(tǒng)的基本操作和常用命令，能夠進行系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的安裝、配置和維護。理解操作系統(tǒng)的安全性和可靠性04了解操作系統(tǒng)面臨的安全威脅和可靠性挑戰(zhàn)，掌握基本的安全策略和防護措施。操作系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢云計算和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的操作系統(tǒng)01隨著云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)將更加注重資源的高效利用和設(shè)備的互聯(lián)互通，提供更加靈活、可擴展和智能的服務(wù)。人工智能和機器學(xué)習(xí)在操作系統(tǒng)中的應(yīng)用02未來操作系統(tǒng)將集成更多的人工智能和機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)智能化的資源管理和優(yōu)化的用戶體驗。安全性和隱私保護的不斷加強03隨著網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護意識的不斷提高，操作系統(tǒng)將不斷加強安全機制和隱私保護策略，為用戶提供更加安全、可信的計算環(huán)境。虛擬化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展04虛擬化技術(shù)將進一步發(fā)展，提供更加高效、靈活和可靠的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行環(huán)境。經(jīng)典教材和專業(yè)書籍實驗和實踐平臺開源