下载文档原格式
操作系统高级教程在当今数字化的时代，操作系统如同计算机的灵魂，掌控着计算机硬件与软件资源的分配和管理。
对于那些渴望深入了解计算机内部工作机制的人来说，掌握操作系统的高级知识是至关重要的。
操作系统的核心任务之一是进程管理。
进程可以被理解为正在运行的程序实例。
在多任务操作系统中，多个进程可以同时运行，这就需要高效的调度算法来决定哪个进程何时获得 CPU 时间。
常见的调度算法包括先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。
先来先服务简单直观，但可能导致短作业等待时间过长；短作业优先能提高系统的吞吐率，但可能对长作业不公平；时间片轮转则保证了每个进程都能获得一定的 CPU 时间，适用于交互性较强的系统。
内存管理是操作系统的另一个关键领域。
内存是计算机存储程序和数据的地方，如何合理地分配和回收内存，以提高内存的利用率和系统性能，是内存管理要解决的问题。
常见的内存管理方式有分页存储管理和分段存储管理。
分页存储管理将内存划分为固定大小的页，便于内存的分配和回收，但可能会产生内部碎片；分段存储管理则根据程序的逻辑结构将内存划分为不同的段，减少了内部碎片，但段的大小不固定，管理相对复杂。
文件系统是操作系统用于组织和存储数据的重要机制。
文件系统不仅要考虑如何高效地存储文件，还要提供方便的文件操作接口，如创建、删除、读取和写入。
不同的文件系统具有不同的特点，如FAT32、NTFS、EXT4 等。
FAT32 兼容性好，但不支持大文件和大分区；NTFS 则具有更好的安全性和性能，支持大文件和大分区；EXT4 是 Linux 系统常用的文件系统，具有良好的性能和扩展性。
设备管理也是操作系统不可忽视的一部分。
计算机系统中的设备种类繁多，包括输入设备（如键盘、鼠标）、输出设备（如显示器、打印机）和存储设备（如硬盘、U盘）等。
操作系统需要为这些设备提供驱动程序，以实现设备与系统的通信和控制。
同时，还需要采用合适的 I/O 控制方式，如程序直接控制、中断驱动、DMA 等，来提高I/O 操作的效率。
计算机操作系统教程讲义一、计算机操作系统的概述计算机操作系统，就像是一个大管家，它管理着计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供服务，让计算机能够高效、稳定地运行。
想象一下，如果没有操作系统，我们每次使用计算机都得自己去控制硬件，了解每个设备的工作原理，那可真是太麻烦了！有了操作系统，我们只需要通过简单的操作，比如点击图标、输入命令，就能让计算机完成各种复杂的任务。
操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户接口等。
这些功能相互协作，使得计算机系统能够有条不紊地工作。
二、进程管理进程是操作系统中一个非常重要的概念。
简单来说，进程就是正在运行的程序的实例。
比如我们打开一个浏览器，这时候就创建了一个浏览器进程。
操作系统要负责进程的创建、调度和终止。
进程调度就像是给不同的进程安排工作时间，要保证每个进程都能得到合理的资源分配，不会出现有的进程一直忙，有的进程一直闲着的情况。
为了实现进程管理，操作系统使用了各种算法，比如先来先服务算法、短作业优先算法、时间片轮转算法等等。
这些算法各有优缺点，操作系统会根据不同的情况选择合适的算法。
三、内存管理内存是计算机存储数据和程序的地方。
内存管理的任务就是合理地分配和回收内存空间，确保每个程序都能得到足够的内存来运行。
操作系统采用了不同的内存管理方式，比如分页存储管理、分段存储管理和段页式存储管理。
分页存储管理把内存分成固定大小的页，分段存储管理则是根据程序的逻辑结构把内存分成不同的段。
另外，为了提高内存的利用率，操作系统还使用了虚拟内存技术。
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，通过将暂时不用的数据存储到硬盘上，当需要时再调回内存。
四、文件管理文件是计算机中存储信息的基本单位。
文件管理系统负责文件的创建、删除、读取和写入等操作。
文件系统会对文件进行组织和存储，常见的文件系统格式有FAT32、NTFS 等。
文件的目录结构就像是一个图书馆的书架分类，方便我们快速找到需要的文件。
高级操作系统原理基础知识全面解读在计算机领域，操作系统是计算机硬件与应用软件之间的桥梁，是计算机系统中最基础、最核心的软件之一。
高级操作系统则进一步扩展了操作系统的功能和特性，为计算机提供了更多的资源管理和用户接口。
本文将对高级操作系统原理的基础知识进行全面解读。
一、操作系统概述操作系统是计算机系统的核心组成部分，它主要负责管理和调度计算机硬件资源，提供用户和应用程序与计算机硬件之间的接口。
操作系统的作用主要可以分为以下几个方面：1. 资源管理：操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括CPU、内存、硬盘等，合理分配和调度这些资源，以提高计算机的性能和利用率。
2. 进程管理：操作系统通过进程管理机制实现对进程的创建、调度和终止等操作，为应用程序提供运行环境，并确保它们能够良好地协同运行。
3. 文件系统管理：操作系统通过文件系统管理机制实现对文件的创建、读写和删除等操作，为用户和应用程序提供方便的文件访问接口。
4. 设备管理：操作系统通过设备管理机制实现对各种外部设备的控制和管理，包括输入输出设备、通信设备等。
二、高级操作系统的特性高级操作系统相比传统操作系统，具有更多的功能和特性，主要体现在以下几个方面：1. 分时操作系统：分时操作系统是高级操作系统的一种特殊形式，它允许多个用户同时共享计算机资源，并且能够快速地切换用户之间的上下文，实现多用户的并发访问。
2. 多用户操作系统：高级操作系统支持多个用户同时使用计算机，每个用户都可以运行自己的程序和操作系统。
3. 多任务操作系统：高级操作系统可以同时运行多个任务，每个任务可以是一个应用程序或进程，通过合理的调度策略，实现任务之间的快速切换和共享计算机资源。
4. 虚拟存储管理：高级操作系统通过虚拟存储管理机制，将物理内存和磁盘空间进行映射，扩展了计算机的内存容量，提高了计算机的性能和可靠性。
5. 图形用户界面：高级操作系统提供了直观、友好的图形用户界面，使得用户能够通过鼠标、键盘等输入设备进行操作，而不需要记忆和输入复杂的命令行指令。
计算机操作系统高级教程第一章：操作系统概述计算机操作系统是一种管理计算机硬件和软件资源的系统软件。
本章将介绍操作系统的定义、功能、发展历程以及操作系统的分类和特点。
同时，还将探讨操作系统在计算机系统中的位置和作用。
第二章：进程管理进程是计算机中正在运行的程序的一种状态，进程管理是操作系统中最基本的任务之一。
本章将讨论进程的定义、属性和状态转换，以及进程调度和进程同步的相关算法和机制。
第三章：内存管理内存管理是操作系统中重要的功能模块，它负责管理计算机内存的分配与释放。
本章将介绍内存管理的基本概念、地址映射技术、内存分配算法和虚拟内存技术等内容。
第四章：文件系统文件系统是操作系统中用于组织和管理文件的一种数据结构。
本章将探讨文件系统的基本概念、文件的组织和存储方式，以及文件系统的实现和性能优化等方面的知识。
第五章：设备管理设备管理是操作系统中负责管理计算机硬件设备的模块。
本章将介绍设备管理的基本概念、设备分配和调度算法，以及设备驱动程序的编写和设备中断处理等内容。
第六章：网络管理随着计算机网络的普及，网络管理已成为操作系统中又一个重要的模块。
本章将探讨网络管理的基本知识、网络协议的实现以及网络安全和性能优化等方面的内容。
第七章：多处理器系统多处理器系统是指由多个处理器组成的计算机系统，它可以提高计算机的运算能力和并行处理能力。
本章将讨论多处理器系统的基本概念、体系结构以及多处理器调度和同步机制等内容。
第八章：实时系统实时系统是指能够对输入的事件或任务在规定的时间范围内作出及时响应的系统。
本章将介绍实时系统的基本概念和特点，以及实时调度算法和实时性能分析等方面的知识。
第九章：操作系统性能优化操作系统性能优化是一项重要的任务，可以提高计算机系统的整体性能和响应速度。
本章将讨论操作系统性能优化的基本原理和方法，以及性能测试和调优工具的使用。
第十章：操作系统安全操作系统安全是计算机系统中的重要问题，它涉及到计算机的信息安全和系统的保护。
高级操作系统大纲
一、操作系统概述
1.操作系统定义与功能
2.操作系统的历史与发展
3.操作系统的分类
二、进程与线程管理
1.进程概念与状态
2.进程的创建与终止
3.进程的同步与通信
4.线程概念与类型
5.线程的创建与销毁
6.线程同步与互斥
三、内存管理
1.内存管理概述
2.内存分区管理
3.内存分页管理
4.内存段管理
5.虚拟内存管理
四、文件系统
1.文件系统概述
2.文件系统结构与类型
3.文件存储与组织
4.文件访问控制
5.文件系统的性能优化
五、设备管理
1.设备管理概述
2.设备驱动程序
3.设备分配与回收
4.I/O控制方式
5.缓冲技术与设备独立性
六、分布式与网络操作系统
1.分布式操作系统概述
2.分布式系统的通信协议
3.网络操作系统概述
4.网络操作系统的服务功能
5.网络操作系统的安全机制
七、操作系统的安全与稳定
1.操作系统的安全威胁与防护措施
2.数据加密技术与应用
3.安全审计与入侵检测系统
4.系统容错与恢复技术。
第九章事务的并发控制
9．1
信号量：依赖于程序员；不适当的使用会死锁。
分布式环境中很难
实现，必须保持信号量数据的绝对一致性。
管程：编译器支持的编程语言结构。
编译器依靠共享内存实现信号量，没有共享内存，就不能使用管程。
对事务的调度要保证对共享数据
的执行效果与其串行调度等价，
服务器可通过串行访问数据项来
实现串行等价。
锁：串行结构的实现
可串行性（化）：两个事务的全部冲突操作对应相同的顺序执行。
为保证可串行性，常用的三种并发控制方法：加锁、乐观并发控制、时间戳定序。
1 加锁：
当事务完成时解锁，当一数据项被加锁，则只有加锁的事务可访问它，其它事务或者等待锁被解开，或者在某种情况下共享锁。
使用锁会导致死锁，即事务彼此等待解锁。
2 乐观法：
事务执行到提交前，在允许提交前，服务器完成一个检查，发现已完成的操作是否与相同数据项上的其它并发事务的操作发生
冲突，若冲突，服务器终止它。
3 时间戳定序：
服务器记录读写每个数据项的最
近时间，且对每一操作，要比较
事务的时间戳和数据项的时间戳，
以决定操作是否可立即执行、
或被延迟、被拒绝。
9．2 锁机制
读读不冲突读写冲突
写写冲突
1读锁：其它可读，但不能写，
有一个事务即加一个锁；
2写锁：写之前获得，不能读
或写（再写）；
Lock UnLock 操作
锁的粒度越小，加锁就可以越精确，
也就能实现更大的并行度。
同时，锁的粒度越小，就需要更多的锁，这样开销也就越大，也
就更容易导致死锁。
9．3 乐观并发控制
基础：在大多数应用中，两客户的事务访问同一数据项的可能性很小。
三个阶段：
1 读出阶段：
每个事务修改的每个数据项都有一个试用性版本，所有的读操作都
是在数据项的提交版本上完成的，不会读出“脏”数据。
2 验证阶段：
当接到Close Transaction请求，就检验事务是否存在对数据项上
的操作与其它事务在同一数据项上的操作发生冲突，若验证通
过，则事务提交，若验证失败，则要采用某种形式的冲突解决策略。
3 写入阶段：
若事务通过验证，它的试用性质版本中的所有修改记录将设置成永久的。
事务验证即验证采用读/写冲突规则保证其特定事务的调度关于
所有其他的重叠事务是串行等价的。
事务验证：是基于一对事务Ti和Tj的操作间冲突的，事务Tj关
于一个重叠事务Ti是可串行化的，那么它们的操作必须遵守以
下规则。
优点：避免了死锁，允许最大的并行度。
缺点：有时会失效，所有的事务都必须退回重新运行一遍。
在重负载的情况下，比较严重。
9．4 时间戳定序
每个事务开始时都被分配了一个唯一的时间戳，来自事务的申请
就可以根据它们的时间戳获得一个全序。
服务器可以用自己的时钟来分配时间戳，或者它可采用当分配时
间戳时就加1的计数器——“伪时间”。
优点：不会出现死锁。
缺点：在于实现的复杂性，这将导致降低性能。
硬件、系统和语言对并发支持的总结
第十章分布式事务
事务的ACID特性：
原子性
一致性
独立性
持久性
分布式事务：其活动涉及多个服务器的事务；
嵌套事务：间接涉及多个服务器的客户事务；
每个服务器对其本地数据实行本地并发控制，以保证事务在本地可串行，分布式事务必须在全局可串行。
在某些情况下，事务在本地服务器上是串行的，但同时可以发生不同服务器间的依赖循环，从而导致死锁。
分布式事务的协调者
事务的第一个服务器成为事务的协调者，负责终止或提交事务，以
及增加其他被称为参与者的服务器，协调者管理着一个参与者表列，
而每个参与者都记录了协调者服务器的标识。
原子提交协议：
两阶段提交协议
两阶段提交协议中的超时
若协调者失败了，则参与者不能获得应答直到协调者重新启动，这
会导致参与者处于不确定状态的额外延迟。
当客户发送了close transaction给协调者，参与者只能检测到这种
情况：长时间没有特定事务的请求。
由于在这个时期没有作出决定，参与者可在一段时间后单向决定
终止。
事务实现中的问题：
（1）预读写
如果一个事务对一个数据进行读操作，而这个数据正在被其他将要
退出的事务操作，这时预读问题就发生了。
如果一个事务对一个数据进行写操作，而这个数据正在被另一个事务操作，预写问题。
涉及到独立事务的相互作用。
事务管理服务采用延迟执行就可以避免这些问题的发生。
延迟执行使得正在被事务操作的数据不能被其他事务读写，直到当
前事务进入提交阶段或者中途退出。
延迟会降低系统的性能。
（2）中途退出（domino effect）
如果其他事务看到了与退出的事务有关的结果，这个事务的
退出可能遭受domino effect。
任何以预写的数据为执行基础的事务在预写的事务中途退出后，
也都必须退出。
（3）保证恢复能力
如果另一个未完成的提交请求涉及到相同的数据，则应延迟当前
的提交。
暂时拷贝可以保存在本地的易失存储器中，如果一直不进入提交阶
段，则删除暂时拷贝。
如果进入提交阶段，则把暂时拷贝复制到永
久的不易丢失的存储器中。
分布式事务的并发控制
（1）分布式事务的锁机制
由于服务器彼此独立地设置它们的锁，有可能不同服务器将不同的次序加于事务之上，在这种情况下，这些不同次序会导致事务间的循环依赖，出现分布式死锁情况。
在嵌套事务中，为了避免层次间的潜在冲突，父事务不允许与它们的子事务并发执行。
嵌套事务从它们的祖先那里继承锁。
对一个获得数据资源读锁的嵌套事务，该数据资源写锁的持有者必须是它的祖先。
当一个嵌套事务提交时，它的锁被其父母继承。
当嵌套事务中止时，它的锁被解除。
（2）分布式事务的时间戳定序
为实现在所有服务器上的相同次序，服务器必须在它们的时间戳次序上达成一致。
在分布式系统中，要求每一个事务可以分配到环境中唯一的时间戳。
该事务在调用其他服务器的资源时，同样也把该时间戳发送给相应的服务器，以使该服务器对事务进行合理的调度。
分布式系统中的服务器共同负责保证它们按与串行效果等价的方式完成。
但是时间戳的分配还存在着一致性的问题。
一个分布式系统包含很多不同的地点和个别的计算机系统，每一个地点和系统都有其各自的本地时间，各处系统的时钟也会偏移。
因此各个服务器间的时钟可能不同步，从而造成时间戳分配的不一致性。
为了保证事务次序同在实际时间中开始的次序一致，通常采用同步本地物理时钟的方法。
（3）分布式事务的乐观并发控制
服务器在验证开始时，分配事务号，事务根据事务号的次序排序。
分布式事务被一组相互独立的服务器集验证，每个服务器验证访问其数据项的事务。
所有服务器的验证发生在两阶段提交协议的第一阶段。
分布式死锁
超时解除死锁。
寻找事务等待图中的环路来实现。
死锁检测方案
伪死锁
带复制数据的事务
事务服务器上的数据项可被复制，以提高可用性和其他性能。
单副本可串行性：事务在各客户的复制数据
项上执行的效果仿佛是
他们一次只对单个数据项执行。
Read one/ write all
读操作只由单个复制管理者执行，而写操作则由所有的复制管理者
执行。
它不是一个实用的方案，因为当某些复制管理者失效时，它无法运行，设计有效副本方案，用来允许一些复制管理者暂时失效。
其策略是：客户的请求可由任一有效复制者执行，而客户的更新请求必须由包含该数据项副本的组中所有有效复制者执行。
