操作系统课件2

操作系统课件2
一、引言
操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户提供高效、稳定、安全的运行环境。

本课件将重点介绍操作系统的基本概念、功能、类型以及进程管理等内容。

二、操作系统的基本概念
1.操作系统的定义
操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一种系统软件，它负责管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户提供便捷、高效、稳定的运行环境。

2.操作系统的功能
操作系统的功能主要包括资源管理、进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户接口等。

3.操作系统的类型
根据操作系统的特点和应用场景，可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。

三、进程管理
1.进程的概念
进程是操作系统中执行程序的基本单位，它包括程序代码、数据和进程控制块（PCB）。

2.进程的状态
进程的状态分为运行、就绪、阻塞和结束等四种。

3.进程控制
进程控制主要包括进程的创建、终止、阻塞、唤醒、切换等操作。

4.进程同步与互斥
进程同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，以保证数据的一致性和正确性。

进程互斥是指多个进程在同一时刻只能有一个进程访问共享资源。

5.进程通信
进程通信是指多个进程之间交换数据和消息。

进程通信的方式有共享内存、消息传递和管道等。

四、内存管理
1.内存分配
内存分配是指操作系统为进程分配内存空间的过程。

内存分配的方式有固定分区、可变分区和页式管理等。

2.内存回收
内存回收是指操作系统将已分配给进程的内存空间回收的过程。

内存回收的方式有立即回收和延迟回收等。

3.内存扩充
内存扩充是指通过虚拟内存技术，将磁盘空间作为内存使用，以扩大内存容量。

4.内存保护
内存保护是指操作系统对内存空间进行权限管理，防止进程非法访问其他进程的内存空间。

五、文件管理
1.文件的概念
文件是存储在辅助存储设备上的数据集合，它具有名称、类型、属性和内容等。

2.文件系统
文件系统是指操作系统对文件进行组织、存储、检索和管理的软件模块。

3.文件的存取控制
文件的存取控制是指操作系统对文件的访问权限进行管理，以保证数据的安全性和完整性。

4.文件的存储结构
文件的存储结构有顺序存储、存储和索引存储等。

5.文件的目录结构
文件的目录结构有线性目录、树形目录和图形目录等。

六、设备管理
1.设备的概念
设备是指计算机系统中用于输入、输出和存储数据的硬件设备。

2.设备分配
设备分配是指操作系统根据进程的需求，将设备分配给进程使用的过程。

3.设备驱动程序
设备驱动程序是指操作系统与设备之间的接口软件，它负责实现设备操作的具体功能。

4.设备管理策略
设备管理策略有先来先服务、优先级调度和高响应比优先等。

七、用户接口
1.命令行接口（CLI）
命令行接口是指用户通过输入命令与操作系统进行交互的方式。

2.图形用户接口（GUI）
图形用户接口是指用户通过图形界面与操作系统进行交互的方式。

3.程序员接口（API）
程序员接口是指操作系统提供给程序员使用的编程接口。

八、总结
本课件对操作系统的基本概念、功能、类型以及进程管理等内容进行了详细介绍。

操作系统作为计算机系统中最核心的软件之一，对计算机的运行效率和稳定性具有重要影响。

掌握操作系统的
基本原理和关键技术，对于计算机科学与技术专业的学生和相关从业人员具有重要意义。

一、进程的创建与终止
1.进程的创建
（1）申请空白PCB
（2）为新进程分配资源
（3）初始化PCB
（4）将新进程插入就绪队列
2.进程的终止
（1）回收资源
（2）撤销PCB
（3）报告进程终止信息
二、进程的状态转换
1.就绪态与运行态的转换
当操作系统调度器根据调度算法选择一个就绪态的进程执行时，该进程的状态从就绪态转换为运行态。

当运行态的进程发生阻塞或时间片用完时，进程的状态从运行态转换为就绪态。

2.运行态与阻塞态的转换
当运行态的进程需要等待某些事件（如I/O操作）完成时，进程的状态从运行态转换为阻塞态。

当等待的事件完成时，进程的状态从阻塞态转换为就绪态。

3.阻塞态与就绪态的转换
当阻塞态的进程等待的事件完成时，进程的状态从阻塞态转换为就绪态。

三、进程控制
1.进程的创建
进程的创建可以通过系统调用（如fork()）实现。

在进程创建过程中，操作系统会为新进程分配一个唯一的进程标识符（PID），并为新进程分配资源。

2.进程的终止
进程的终止可以通过系统调用（如exit()）实现。

在进程终止过程中，操作系统会回收分配给该进程的资源，并撤销PCB。

3.进程的阻塞与唤醒
进程的阻塞与唤醒可以通过系统调用（如sleep()、wt()）实现。

在进程阻塞过程中，操作系统会将进程的状态设置为阻塞态，
并在等待的事件完成后唤醒进程。

在进程唤醒过程中，操作系统会将进程的状态设置为就绪态。

四、进程同步与互斥
1.临界区
临界区是指一个进程中访问共享资源的代码段。

为了保证数据的一致性和正确性，操作系统需要实现对临界区的同步和互斥。

2.同步机制
同步机制包括软件同步和硬件同步。

软件同步主要通过信号量、管程等实现；硬件同步主要通过原子操作和测试并设置等指令实现。

3.互斥机制
互斥机制包括锁机制和条件变量。

锁机制主要通过互斥锁实现；条件变量主要通过信号量和管程实现。

五、进程通信
1.共享内存
共享内存是指多个进程共享同一块内存空间，以便于它们之间交换数据和消息。

共享内存的实现需要操作系统提供内存映射和内存保护机制。

2.消息传递
消息传递是指多个进程之间通过发送和接收消息进行通信。

消息传递的实现需要操作系统提供消息队列和通信协议。

3.管道
管道是一种半双工的通信机制，它允许一个进程向另一个进程发送数据。

管道的实现需要操作系统提供文件描述符和管道缓冲区。

六、总结
进程管理是操作系统中的重要组成部分，它包括进程的创建与终止、状态转换、控制、同步与互斥以及通信等方面。

掌握进程管理的相关技术和原理，对于理解操作系统的运行机制和优化计算机系统性能具有重要意义。

七、进程调度
进程调度是操作系统中的核心功能之一，它负责决定哪个进程将获得CPU时间，以及它们将获得多长时间。

进程调度的目标是最大化系统资源的利用率，提高系统的吞吐量，减少响应时间，并确保系统的高效和公平运行。

1.调度算法
操作系统中常用的调度算法包括：
先来先服务（FCFS）：按照进程到达的顺序进行调度。

短作业优先（SJF）：优先调度运行时间最短的进程。

优先级调度：根据进程的优先级进行调度。

时间片轮转（RR）：给每个进程分配一个固定的时间片，轮流运行。

多级反馈队列：结合了多种调度策略，根据进程的行为动态调整优先级。

2.调度准则
公平性：确保所有进程都有机会获得CPU时间。

响应时间：减少用户交互进程的响应时间。

吞吐量：提高系统单位时间内处理的进程数量。

-CPU利用率：尽可能使CPU保持忙碌状态。

turnaroundtime：减少进程从提交到完成的时间。

wtingtime：减少进程在就绪队列中的等待时间。

八、线程管理
在现代操作系统中，线程是处理机调度的基本单位。

线程是进程中的一个实体，它可以被操作系统独立调度和执行。

线程管理涉及到线程的创建、同步、通信和调度等。

1.线程的创建与终止
线程的创建通常比进程的创建开销小，因为线程共享进程的资源，如地质空间和文件描述符。

线程的终止通常涉及到线程的清理工作，如释放线程栈空间。

2.线程同步
线程同步是确保多个线程按照一定的顺序执行，以避免数据不一致和竞态条件。

线程同步机制包括互斥锁、条件变量、读写锁和信号量等。

3.线程通信
线程通信机制包括共享内存和消息传递。

共享内存允许线程通过共享数据结构进行通信，而消息传递则通过发送和接收消息来实现。

4.线程调度
线程调度与进程调度类似，但线程调度的粒度更细，因为它涉及到在同一个进程内的多个线程之间的调度。

线程调度可以采用用户级调度或内核级调度。

九、死锁处理
死锁是指两个或多个进程在等待对方持有的资源而无限期地阻塞下去的现象。

死锁处理包括预防、避免、检测和解除死锁。

1.死锁预防
死锁预防是通过破坏死锁的四个必要条件之一来预防死锁的发生。

这些条件包括：
互斥条件：至少有一个资源必须处于非共享模式。

占有和等待条件：进程至少持有一个资源，并且正在等待获取其他进程持有的资源。

不可抢占条件：已经分配给一个进程的资源在该进程完成任务前不能被抢占。

循环等待条件：存在一个进程链，每个进程至少持有一个资源，并且等待获取下一个进程持有的资源。

2.死锁避免
死锁避免是在资源分配过程中避免系统进入不安全状态。

常用的避免策略包括银行家算法。

3.死锁检测
死锁检测是在系统运行过程中周期性地检查系统是否进入死锁状态。

如果检测到死锁，系统将采取措施解除死锁。

4.死锁解除
死锁解除是通过剥夺资源或撤销进程来解除死锁。

剥夺资源可能会回滚到安全状态，撤销进程则需要重启进程或放弃计算结果。

十、总结
进程管理是操作系统中至关重要的部分，它涉及到进程的创建、终止、调度、同步、通信以及死锁处理等多个方面。

理解进程管理的原理和技术，对于设计和实现高效、可靠的操作系统至关重要。

随着多核处理器和分布式计算的发展，进程管理的研究和优化仍然是计算机科学领域中的一个热点和挑战。