操作系统原理算法
2024版操作系统原理与应用课件[1]
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•操作系统概述•进程管理•内存管理•文件系统目录•设备管理•操作系统安全01操作系统概述存储器管理处理机管理程控制、进程同步、进程通信和定义设备管理备，包括设备驱动、设备无关性、缓冲管理和设备分配等。
文件管理早期操作系统批处理操作系统（如IBM的JCL）和分时操作系统（如UNIX的初期版本）等。
现代操作系统随着计算机硬件技术的发展，出现了多道程序设计、中断处理、虚拟内存和分布式系统等概念和技术，推动了现代操作系统的发展。
未来发展趋势随着云计算、物联网和人工智能等技术的快速发展，操作系统将朝着更加智能化、自适应和分布式的方向发展。
分类根据运行环境和应用领域的不同，操作系统可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。
允许多个程序同时执行，提高系统资源利用率。
允许多个程序共享系统中的各种资源，提高资源使用效率。
通过技术手段将物理实体变为逻辑上的对应物，为用户提供更加便捷的使用体验。
允许多个程序以不可预知的速度向前推进，提高系统灵活性和适应性。
并发性虚拟性异步性共享性02进程管理进程的概念与状态进程的定义进程的状态进程在其生命周期内会经历多种状态，如创建态、就绪态、运行态、阻塞态和终止态等。
这些状态之间会根据特定的条件进行转换。
进程控制块PCBPCB的定义PCB的作用进程调度算法进程同步与通信进程同步进程通信03内存管理内存的分配与回收回收策略分配方式阐述内存回收的策略，包括如何检测空闲内存、如何合并空闲块等，以确保内存的高效利用。
分配算法内存映射介绍内存映射技术，包括如何将虚拟地址映射到物理地址，以及如何通过内存映射实现进程隔离和共享。
访问控制解释如何通过访问控制机制，如界限寄存器、基址寄存器和限长寄存器等，实现内存保护。
保护机制阐述操作系统提供的内存保护机制，如防止地址越界、防止非法访问等，以确保系统的安全性和稳定性。
虚拟内存概念解释虚拟内存的基本概念，包括虚拟地址空间、物理地址空间、页表等。
操作系统原理实验指导
3、实验题
(1)设计一个内存分配模拟程序。假定在计算机系统作业后备队列中有六个等待调度运行的作业，参与分配的内存大小为32KB，采用简单页式管理，每个页帧的大小为1KB。根据要求进行内存的分配和回收。要求打印内存分配表。有关作业的组织和作业有关参数的设置请自行设计，要大致符合实际情况。
main()
{
int i;
if (fork())
{
i=wait();
printf(“It is parent process.\n”);
printf(“The child process, ID number %d, is finished.\n”,i);
}
else{
print(“It is child process.\n”);
(2)自选设计一个进程调度算法，并加以实现。
实验三存储器管理
1、目的与要求
目的：存储器管理是操作系统重要的组成部分，提高存储器的效率始终是操作系统研究的重要课题之一。虚拟存储技术是用来扩大存储容量的一种重要方法。学生应独立地使用一种开发工具或高级语言编写几个常用的存储分配算法，并能设计一个存储管理的模拟程序，对各种算法进行分析比较，评测其性能优劣，从而加深对这些算法的理解，巩固所学的知识。
操作系统实验指导
操作系统是计算机的最重要的系统软件，它在计算机中具有核心地位，其作用是对计算机系统资源进行统一的调度和管理，提供各种强有力的系统服务，为用户创造灵活而又方便的使用环境。一个精心设计的操作系统能极大地扩充计算机系统的功能，充分地发挥系统中各种资源的使用效率，提高系统工作的可靠性。
操作系统原理是计算机科学与技术专业的一门主要专业课程，它涉及计算机系统中各种软、硬资源管理的实现原理与方法，内容非常丰富，综合性非常强，并且还具有很强的实践性。只有把理论与实践紧密地结合起来，才能取得较好地学习效果。
C语言 磁盘调度算法 (FCFS SSTF SCAN CSCAN)
1.FCFS算法实现
2.SSTF算法实现
3.SCAN算法实现
4.CSCAN算法
5.显示对比表
=================================
【实验要求】可选编程语言：C/C++/Java/C#/Python；
实现在同一个程序文件中（C/C++）；
请适当注释；
报告正文（运行屏幕截图及源代码）
{
sum += abs(track[i] - adress);
adress = track[i];
}
return sum;
}
int Get_SSTF_index(int t, int *flag)
{
int i, f = 0, min = 10000, juli = 0, l;
for(i = 0; i < 9; i++)
{
juli = abs(track[i] - t);
if(juli > 0 && juli < min && flag[i] ==0)
{
min = juli;
f = i;
}
}
return f;
}
bool IsEmpty(int *flag)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 9; i++)
一．截屏。
2.附录。
#include<stdio.h>
#include<Math.h>
static int track[9] = {55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184};
《操作系统原理》授课教案-《操作系统原理》
《操作系统原理》授课教案-《操作系统原理》操作系统原理授课教案 - 操作系统原理一、教学目标本课程的教学目标主要包括以下几个方面：1. 了解和掌握操作系统的基本概念和原理；2. 熟悉操作系统的常见功能和特性；3. 掌握操作系统的设计和实现方法；4. 培养学生对操作系统的分析和解决问题的能力。
二、教学内容本课程的教学内容将涵盖以下几个模块：1. 操作系统概述- 操作系统的定义和作用- 操作系统的发展历程- 操作系统的分类和特点2. 进程管理- 进程和线程的概念- 进程调度算法和实现- 进程同步和互斥3. 存储管理- 内存管理的基本原理- 内存分配和回收算法- 虚拟内存的实现和管理4. 文件系统- 文件系统的组成和结构- 文件的存储和访问方式- 文件系统的管理和维护5. 设备管理- 设备管理的基本原理- 设备驱动程序的设计和实现- 设备的分配和调度三、教学方法本课程将采用以下教学方法：1. 理论授课：介绍操作系统的基本概念和原理，并通过案例分析进行实际应用的讲解。
2. 实践操作：通过实际操作和编程练，加深学生对操作系统的理解和掌握。
3. 分组讨论：组织学生进行小组讨论，共同分析和解决操作系统相关的问题。
四、教学评估本课程的评估方式将包括以下几个方面：1. 课堂表现：考察学生对操作系统知识的掌握情况和参与讨论的主动性。
2. 实验报告：评估学生在实践操作和编程练中的实际能力和成果。
3. 期末考试：综合考察学生对操作系统的理论知识和应用能力。
五、教学资源本课程的教学资源包括以下几个方面：1. 教材：选用经典的操作系统教材作为参考书。
2. 讲义：提供详细的课堂讲义，帮助学生更好地理解和研究。
3. 实验环境：提供适合操作系统实验的计算机环境和工具。
六、教学进度安排本课程的教学进度安排如下：七、参考资料1. 牛津大学计算机科学系，操作系统原理教学课程手册。
2. 郁才根，操作系统简明教程，清华大学出版社，2018。
操作系统原理教程第2章
超线程的工作
– 超线程处理器被视为两个分离的逻辑处理器,应用程序
不须修正就可使用这两个逻辑处理器. – 每个逻辑处理器都可独立响应中断.第一个逻辑处理器 可追踪一个软件线程,而第二个逻辑处理器则可同时追 踪另一个软件线程. – 由于两个线程共同使用同样的执行资源,因此不会产生 一个线程执行的同时,另一个线程闲置的状况.
要进行合理的控制和协调才能正确执行
资源共享关系 相互合作关系
进程的同步与互斥
进程同步与互斥的概念 进程同步机制应遵循的原则 利用锁机制实现同步
进程同步与互斥的概念
临界资源
– 在系统中有许多硬件或软件资源,在一段时间内只允许一个进程访
问或使用,这种资源称为临界资源.
临界区
– 每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区
信号量的操作
(1)P操作:记为P(S),描述为:
– – – – – – – –
P(S) { S=S-1; if (S<0) W(S); } V(S) { S=S+1; if (S<=0) R(S); }
(2)V操作:记为V(S),描述为:
利用PV操作实现互斥 利用PV操作实现互斥
概念:
– 互斥信号量是根据临界资源的类型设置的.有几种
进程的定义
– 一个程序在一个数据集合上的一次运行过程.所以
一个程序在不同数据集合上运行,乃至一个程序在 同样数据集合上的多次运行都是不同的进程.
进程的特征
– – – – –
动态性 并发性 独立性 异步性 结构性
进程的状态
进程的三种基本状态 进程的其它两种状态 进程状态间的转换
进程的三种基本状态
就绪状态
– 【例2-5】有4位哲学家围着一个圆桌在思考和进餐,
操作系统原理课后习题答案
操作系统原理作业第1章1-2 批处理系统和分时系统各有什么特点？为什么分时系统的响应比较快？答：在批处理系统中操作人员将作业成批装入计算机并由计算机管理运行，在程序的运行期间用户不能干预，因此批处理系统的特点是：用户脱机使用计算机，作业成批处理，系统内多道程序并发执行以及交互能力差。
在分时系统中不同用户通过各自的终端以交互方式共同使用一台计算机，计算机以“分时”的方法轮流为每个用户服务。
分时系统的主要特点是：多个用户同时使用计算机的同时性，人机问答方式的交互性，每个用户独立使用计算机的独占性以及系统响应的及时性。
分时系统一般采用时间片轮转的方法使一台计算机同时为多个终端用户服务，因此分时系统的响应比较快。
1-4什么是多道程序设计技术？试述多道程序运行的特征。
答：多道程序设计技术是指同时把多个作业（程序）放入内存并允许它们交替执行和共享系统中的各类资源；当一道程序因某种原因（如I/O 请求）而暂停执行时，CPU 立即转去执行另一道程序。
多道程序运行具有如下特征：多道计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。
宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，它们先后开始了各自的运行但都未运行完毕。
微观上串行：从微观上看内存中的多道程序轮流或分时地占有处理机，交替执行。
1-6操作系统的主要特性是什么？为什么会有这样的特性？答：并发性，共享性，异步性，虚拟性，这些特性保证了计算机能准确的运行，得出想要的结果。
1-7（1）工作情况如图。
（2）CPU有空闲等待，它发生在100 ms150 ms时间段内，此时间段内程序A 与程序B都在进行I/O操作。
（3）程序A无等待现象，程序B在0 ms50 ms时间段与180 ms200 ms时间段内有等待现象。
第2章2-1 什么是操作系统虚拟机？答：在裸机上配置了操作系统程序后就构成了操作系统虚拟机2-3 什么是处理机的态？为什么要区分处理机的态？答：处理机的态，就是处理机当前处于何种状态，正在执行哪类程序。
操作系统原理知识点总结
第一章绪论1、操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理的对各类作业进行调度以方便用户的程序集合※2、操作系统的目标：方便性、有效性、可扩展性、开发性※3、操作系统的作用：作为计算机硬件和用户间的接口、作为计算机系统资源的管理者、作为扩充机器4、单批道处理系统：作业处理成批进行，内存中始终保持一道作业（自动性、顺序性、单道性）5、多批道处理系统：系统中同时驻留多个作业，优点：提高CPU利用率、提高I/O设备和内存利用率、提高系统吞吐量（多道性、无序性、调度性）6、分时技术特性：多路性、交互性、独立性、及时性，目标：对用户响应的及时性7、实时系统：及时响应外部请求，在规定时间内完成事件处理，任务类型：周期性、非周期性或硬实时任务、软实时任务※8、操作系统基本特性：并发、共享、虚拟、异步性并行是指两或多个事件在同一时刻发生。
并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。
互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源同时访问：微观上仍是互斥的虚拟是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
异步是指运行进度不可预知。
共享性和并发性是操作系统两个最基本的特征※9、操作系统主要功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户管理第二章进程的描述和控制※1、程序顺序执行特征：顺序性、封闭性、可再现性※2、程序并发执行特征：间断性、失去封闭性、不可再现性3、前趋图：有向无循环图，用于描述进程之间执行的前后关系表示方式：（1）p1--->p2（2）--->={(p1,p2)| p1 必须在p2开始前完成}节点表示：一条语句，一个程序段，一进程。
（详见书P32）※4、进程的定义：(1)是程序的一次执行过程，由程序段、数据段、程序控制块（PBC）三部分构成，总称“进程映像”(2)是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动(3)是程序在一个数据集合上的运行过程(4)进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位进程特征：动态性、并发性、独立性、异步性由“创建”而产生，由“调度”而执行；由得不到资源而“阻塞”，由“撤消”而消亡※5、进程与程序关系※6、进程的三种状态：就绪、阻塞、执行转换：增加挂起：7、进程控制块（PCB）的作用：进程存在的唯一标志。
操作系统原理实验报告
操作系统原理实验报告一、实验目的操作系统是计算机系统中最为关键的软件之一，它负责管理和控制计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供一个方便、高效、稳定的运行环境。
本次实验的目的在于通过实际操作和观察，深入理解操作系统的核心原理和关键机制，包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理等方面，提高对操作系统的认识和应用能力。
二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10 专业版，开发工具为Visual Studio 2019，编程语言为 C+＋。
三、实验内容及步骤（一）进程管理实验1、进程创建与终止编写程序，使用系统调用创建一个新的进程，并在新进程中执行特定的任务，如打印一段文本。
观察新进程的创建过程和资源分配情况。
编写程序，实现父进程等待子进程终止，并获取子进程的退出状态。
2、进程调度编写程序，模拟多个进程的并发执行，设置不同的优先级和时间片。
观察进程的调度顺序和执行时间，分析调度算法的效果。
（二）内存管理实验1、内存分配与释放编写程序，使用动态内存分配函数（如 malloc、new 等）申请一定大小的内存空间，并进行读写操作。
观察内存的分配和释放过程，检查是否存在内存泄漏。
2、内存分页与分段了解操作系统的内存分页和分段机制。
编写程序，模拟内存分页和分段的过程，展示地址转换和页面置换算法的效果。
（三）文件系统管理实验1、文件创建与读写编写程序，创建一个新文件，并向文件中写入一定的数据。
读取文件中的数据，并进行验证。
2、文件目录操作编写程序，实现对文件目录的创建、删除、遍历等操作。
观察文件目录的结构和变化。
（四）设备管理实验1、设备驱动程序了解设备驱动程序的基本概念和工作原理。
编写一个简单的设备驱动程序，实现对特定设备的控制和数据传输。
2、设备中断处理模拟设备中断的产生和处理过程。
编写中断处理程序，处理设备中断事件。
四、实验结果与分析（一）进程管理实验结果与分析1、进程创建与终止成功创建了新进程，并在新进程中打印出指定的文本。
天大《操作系统原理》学习笔记二
主 题题： 《操作系统原理》学习笔记 内 容容：《操作系统原理操作系统原理》》学习笔记学习笔记二二————进程管理进程管理进程管理处理机是计算机系统的核心资源。
操作系统的功能之一就是处理机管理。
计算机系统的效率主要是由处理机决定的。
处理机管理是整个操作系统的核心。
现代计算机系统多数是多道系统，且为单处理机系统。
处理机要同时运行多个作业的程序。
合理有效地管理和分配处理机资源，是操作系统的一个十分重要的任务。
处理机管理就是按照一定策略对处理机进行合理调配、以满足用户作业运行的需要。
为了准确地描述系统内多个作业的运行情况，以及对系统资源的管理和分配的情况，在现代计算机系统中都采用进程的概念。
现代计算机系统都是以进程作为分配资源和独立运行的基本单位。
所以处理机管理实质上是进程管理。
一、进程的基本概念进程的基本概念进程是操作系统中最重要的、最基本的概念。
对操作系统的设计和研究都是以进程作为出发点。
进程的概念是从程序中产生的，但它与程序有着本质的不同。
1、程序的顺序执行程序是“一组有序的操作序列”。
“操作”：机器指令、高级语言中的语句。
“有序”：操作必须按照严格的先后次序进行，必须在前一个操作完成后， 才能执行下一个操作。
一个复杂的程序也可以分为若干个程序段，各个程序段也是依照一定的次序逐个执行。
程序本身具有的顺序执行的特点。
在单道系统中程序执行时，具有顺序执行的特点，所以又把单道系统中的程序称为顺序程序。
顺序程序具有如下特性： 顺序性、程序运行时处理机必须严格按照程序所规定的顺序执行有关操作。
可再现性、如果程序在不同的时间重复执行，只要执行时的初始条件相同，程序运行结果必然相同。
封闭性、程序在运行时独占全部系统资源，这些资源的状态只由程序本身确定，只有该程序的操作才能改变资源的状态。
所以，程序在执行过程中不会受到外界因素的影响。
与时间无关性。
程序的运行结果与它执行的速度无关。
2、程序的并发执行由于通道技术和中断技术的不断完善，计算机系统出现了处理机与外部设备的并行工作方式，使得处理机可以同时运行多个用户的程序。
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统原理一、嵌入式操作系统的概念嵌入式操作系统是一种运行在嵌入式系统上的操作系统，其主要功能是管理和控制硬件资源，提供给应用程序一个良好的运行环境。
嵌入式操作系统通常包含任务调度、内存管理、设备驱动、文件系统等功能模块，以提供各种系统服务。
与一般计算机操作系统相比，嵌入式操作系统有着更高的实时性和可靠性需求。
二、嵌入式操作系统的特点1.高度实时性：嵌入式设备通常需要对外部环境做出及时响应，因此嵌入式操作系统需要具备高度实时性，能够准确响应和处理各种事件。
2.可嵌入性：嵌入式操作系统需要能够方便地移植到不同的硬件平台上，因此具备可嵌入性非常重要。
3.低功耗：嵌入式设备通常具有较低的功耗要求，嵌入式操作系统需要通过各种优化手段来降低系统的功耗。
4.小尺寸：嵌入式设备通常具有较小的存储容量，嵌入式操作系统需要具备小尺寸的特点，以节约存储空间。
三、嵌入式操作系统的功能模块1.任务调度：嵌入式操作系统需要具备任务调度的功能，能够合理分配系统资源，保证系统的实时性和可靠性。
常见的任务调度算法有优先级调度、轮询调度和抢占式调度等。
2.内存管理：嵌入式操作系统需要具备内存管理的功能，能够有效地管理系统的内存资源，包括动态内存分配和回收、内存保护和内存映射等。
3.设备驱动：嵌入式操作系统需要具备设备驱动的功能，能够管理和控制各种外部设备，包括传感器、执行器、通信接口等。
4.文件系统：嵌入式操作系统通常会包含文件系统的功能，能够提供对外部存储设备的读写访问，方便应用程序管理数据和配置文件。
5.网络支持：嵌入式操作系统通常需要具备网络支持的功能，能够提供网络通信的能力，包括TCP/IP协议栈、网络接口驱动等。
四、嵌入式操作系统的工作原理1.初始化：系统启动时，嵌入式操作系统会对硬件进行初始化，并设置系统的各种参数和配置，准备好系统运行的环境。
2.任务调度：嵌入式操作系统会根据任务的优先级和调度算法，决定将哪个任务分配给CPU执行，并根据实时性要求进行任务切换和调度。
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《操作系统原理》算法总结
一、进程(作业)调度算法
先来先服务调度算法（FCFS）：每次调度是从就绪队列中，选择一个最
先进入就绪队列的进程，把处理器分配给该进程，使之得到执行。该进
程一旦占有了处理器，它就一直运行下去，直到该进程完成或因发生事
件而阻塞，才退出处理器。特点：利于长进程，而不利于短进程。
短进程（作业）优先调度算法(SPF)：它是从就绪队列中选择一个估计
运行时间最短的进程，将处理器分配给该进程，使之占有处理器并执行，
直到该进程完成或因发生事件而阻塞，然后退出处理器，再重新调度。
时间片轮转调度算法 ：系统将所有的就绪进程按进入就绪队列的先后
次序排列。每次调度时把CPU分配给队首进程，让其执行一个时间片，
当时间片用完，由计时器发出时钟中断，调度程序则暂停该进程的执行，
使其退出处理器，并将它送到就绪队列的末尾，等待下一轮调度执行。
优先数调度算法 ：它是从就绪队列中选择一个优先权最高的进程，让
其获得处理器并执行。
响应比高者优先调度算法：它是从就绪队列中选择一个响应比最高的
进程，让其获得处理器执行，直到该进程完成或因等待事件而退出处理
器为止。特点：既照顾了短进程，又考虑了进程到达的先后次序，也不
会使长进程长期得不到服务，因此是一个比较全面考虑的算法，但每次
进行调度时，都需要对各个进程计算响应比。所以系统开销很大，比较
复杂。
多级队列调度算法
基本概念：
作业周转时间（Ti）＝完成时间(Tei)－提交时间(Tsi)
作业平均周转时间(T)＝周转时间/作业个数
作业带权周转时间（Wi）＝周转时间/运行时间
响应比＝（等待时间＋运行时间）/运行时间
二、存储器连续分配方式中分区分配算法
首次适应分配算法（FF）：对空闲分区表记录的要求是按地址递增的顺
序排列的，每次分配时，总是从第1条记录开始顺序查找空闲分区表，
找到第一个能满足作业长度要求的空闲区，分割这个空闲区，一部分分
配给作业，另一部分仍为空闲区。
循环首次适应算法：每次分配均从上次分配的位置之后开始查找。
最佳适应分配算法(BF)：是按作业要求从所有的空闲分区中挑选一个能
满足作业要求的最小空闲区，这样可保证不去分割一个更大的区域，使
装入大作业时比较容易得到满足。为实现这种算法，把空闲区按长度递
增次序登记在空闲区表中，分配时，顺序查找。
三、页面置换算法
最佳置换算法（OPT) ：选择以后永不使用或在最长时间内不再被访问
的内存页面予以淘汰。
先进先出置换算法（FIFO）：选择最先进入内存的页面予以淘汰。
最近最久未使用算法（LRU）：选择在最近一段时间内最久没有使用过
的页，把它淘汰。
最少使用算法（LFU）：选择到当前时间为止被访问次数最少的页转换。
四、磁盘调度
先来先服务（FCFS）：是按请求访问者的先后次序启动磁盘驱动器，而
不考虑它们要访问的物理位置
最短寻道时间优先（SSTF）：让离当前磁道最近的请求访问者启动磁盘
驱动器，即是让查找时间最短的那个作业先执行，而不考虑请求访问者
到来的先后次序，这样就克服了先来先服务调度算法中磁臂移动过大的
问题
扫描算法（SCAN）或电梯调度算法：总是从磁臂当前位置开始，沿磁臂
的移动方向去选择离当前磁臂最近的那个柱面的访问者。如果沿磁臂的
方向无请求访问时，就改变磁臂的移动方向。在这种调度方法下磁臂的
移动类似于电梯的调度，所以它也称为电梯调度算法。
循环扫描算法（CSCAN）：循环扫描调度算法是在扫描算法的基础上改
进的。磁臂改为单项移动，由外向里。当前位置开始沿磁臂的移动方向
去选择离当前磁臂最近的哪个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求
访问时，再回到最外，访问柱面号最小的作业请求。