2024-2025 20241308 《计算机基础与程序设计》第九周学习总结
作业信息
这个作业属于哪个课程 <班级的链接>（2024-2025-1-计算机基础与程序设计）
这个作业要求在哪里 <作业要求的链接>(2024-2025-1计算机基础与程序设计第九周作业)
这个作业的目标 操作系统责任 内存与进程管理 分时系统 CPU调度 文件、文件系统 文件保护 磁盘调度
作业正文
教材学习内容总结
1.操作系统的角色
- 进程管理方面：决定何时分配CPU资源给不同进程，像采用先来先服务、短作业优先、时间片轮转等调度算法，决定进程的执行顺序及何时切换。
- 内存管理方面：决策如何分配和回收内存，例如采用分区分配、分页存储管理、分段存储管理等方式，来满足进程运行对内存空间的需求。
- 文件系统方面：要决定文件的存储结构、目录管理方式、文件的读写权限分配等，保障文件能合理高效地被存储和访问。
- 设备管理方面：确定如何分配设备给请求的进程使用，处理设备的中断等情况，像按设备的忙闲状态来调度使用。
2.内存管理
内存分配：按一定策略为进程或程序分配内存空间，像连续分配（包括单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配等）、非连续分配（例如分页存储管理、分段存储管理、段页式存储管理）。
内存保护：防止不同进程的内存空间相互干扰、越界访问等，通过设置界限寄存器等手段确保每个进程只能访问属于自己的合法内存区域。
内存回收：当进程结束或不再需要某部分内存时，操作系统会回收相应内存空间，将其重新纳入可分配的内存资源池，以便后续分配给其他进程使用。
地址转换：把程序中的逻辑地址转换为物理地址，例如在分页存储管理中通过页表等机制来完成这一转换，使得程序能正确访问实际的内存位置。
3.进程管理
进程创建与终止：通过系统调用等方式创建新进程，当进程完成任务或遇到异常等情况时将其终止。
进程调度：运用如先来先服务、短作业优先、时间片轮转、多级反馈队列等调度算法，合理分配CPU资源给不同进程，决定它们的执行顺序以及切换时机，提高系统整体效率。
进程同步与互斥：利用信号量、互斥锁、管程等机制，解决进程间因共享资源而产生的竞争冲突问题，保证并发执行的进程能有序运行。
进程通信：像共享内存、消息队列、管道等方式，使不同进程之间可以交换数据、协同工作。
进程状态管理：关注进程的就绪、运行、阻塞等不同状态的转换，操作系统根据其状态变化来进行相应调度和资源分配操作。
4.CPU调度
调度目标：追求高CPU利用率、高系统吞吐量、短周转时间、低等待时间以及公平地分配CPU资源等。
调度算法类型：
- 先来先服务（FCFS）：按照进程到达就绪队列的先后顺序依次分配CPU，简单但对短作业不利，平均周转时间可能较长。
- 短作业优先（SJF）：优先选择预计执行时间短的进程运行，能使平均周转时间等指标较优，但难以准确预估作业执行时间且可能导致长作业饥饿。
- 时间片轮转（RR）：将CPU时间划分成固定时间片，各进程轮流使用，能及时响应每个进程，但时间片设置不当会影响效率。
- 优先级调度：依据进程优先级分配CPU，优先级高的先执行，不过要处理好低优先级进程“饥饿”问题。
- 多级反馈队列调度：综合了多种策略，设置多个不同优先级的队列，进程在队列间动态转移，兼具多种算法优点，适应性较好。
调度时机：通常发生在进程创建、终止、阻塞、时间片用完等情况时，由操作系统决定何时切换CPU给其他就绪进程。
5.文件系统
文件的逻辑结构：有顺序文件、索引文件、索引顺序文件等，不同结构影响文件的访问和操作方式。
文件的物理结构：像连续分配、链接分配（隐式链接、显式链接）、索引分配等，决定了文件数据在存储设备上的存储布局。
目录管理：通过树形等目录结构来组织和管理文件，便于查找、分类，且记录着文件相关属性及存放位置等信息。
文件存储空间管理：采用空闲表法、空闲链表法、位示图法、成组链接法等，对磁盘等存储设备上的空闲空间进行有效管理和分配。
文件的操作与保护：提供文件的创建、删除、读、写等操作，同时运用访问控制列表、权限位等机制来保障文件的安全性，防止非法访问和篡改。
6.目录
目录树
结构特点：它呈现出树形层次状，有一个根目录，从根目录往下可分出各级子目录，子目录还能继续细分，文件则存放在相应的各级目录下。
作用优势：方便对文件进行分类管理，能清晰呈现文件的归属及存储位置，使用户可以按照层级路径快速定位和查找所需文件，有助于提升文件系统的管理效率与条理清晰程度。
例如在Windows系统中的“此电脑”下各磁盘分区根目录及其包含的文件夹等构成的层次结构，还有Linux系统里“/”根目录开始延伸出的多级目录架构，都是典型的目录树体现。
路径名
绝对路径名：从根目录开始，依次列出各级目录直至目标文件或目录的完整路径，以特定符号分隔各层级，比如Windows中用“\”、Linux中用“/”，像Windows下的“C:\Program Files\Adobe\Photoshop.exe”就是绝对路径名，能准确唯一地指明文件所在。
相对路径名：相对于当前所在目录来指定目标文件或目录的路径，通常更简洁，常用于在同一层级或相近层级间快速定位，例如当前处于某项目目录下，要访问同目录下的“test.txt”文件，直接写“test.txt”即可，要是访问其子目录“docs”里的文件“readme.txt”，可写“docs/readme.txt”。
7.磁盘调度
调度目标：旨在减少磁盘寻道时间，提高磁盘I/O操作的效率，让磁盘读写能更快速、有序地完成，进而提升整个系统性能。
调度算法：
- 先来先服务（FCFS）：按照磁盘I/O请求的先后顺序依次进行处理，简单但未考虑磁头移动距离，寻道时间可能较长。
- 最短寻道时间优先（SSTF）：优先选择距离当前磁头位置最近的磁道请求进行处理，能有效减少平均寻道时间，但可能导致某些请求长时间等待，出现“饥饿”现象。
- 扫描算法（SCAN）：磁头从磁盘一端向另一端移动，沿途处理请求，到达尽头再反向移动继续处理，避免了“饥饿”，但存在对某一方向请求不公平情况。
- 循环扫描算法（CSCAN）：磁头单向移动处理请求，到头后直接回到起始端再继续，解决了SCAN算法的不公平问题，但响应时间可能稍长。
应用场景：在操作系统管理磁盘读写操作时发挥关键作用，根据不同的磁盘使用情况和性能需求选择合适的调度算法。
8.SCAN磁盘调度法
基本原理：磁头从磁盘的一端开始，按照某个固定方向（比如从磁盘最外侧磁道向最内侧磁道或者相反方向）移动，在移动过程中依次处理所经过磁道上的磁盘I/O请求，当磁头移动到磁盘的另一端尽头时，再改变移动方向，往回移动并继续处理沿途磁道的请求，如此循环往复。
优点：它克服了最短寻道时间优先（SSTF）算法可能导致部分请求“饥饿”的问题，相对比较公平地对待各个磁盘I/O请求，能在一定程度上减少磁头的移动距离，提高磁盘读写效率，降低平均寻道时间。
缺点：对位于磁盘两端的请求响应存在不均衡的情况，比如从外向内扫描时，处于磁盘内侧区域的请求可能需要等待较长时间才能被处理，反之亦然。
应用场景：常用于对磁盘读写性能有一定要求，且需要兼顾避免请求长时间等待不能处理的计算机系统磁盘管理中，像普通的办公计算机、一些小型服务器等在磁盘调度时都可能采用该算法来优化磁盘I/O操作。
教材学习
1.操作系统责任
资源管理方面：
- 处理器管理：合理分配CPU时间给各个进程，通过调度算法决定进程执行顺序，提高处理器利用率。
- 内存管理：负责内存的分配、回收以及内存空间的保护，确保不同进程能安全有效地使用内存。
- 设备管理：对计算机的各类外部设备，如磁盘、打印机等进行统一管理，协调设备的分配与使用，处理设备中断等情况。
- 文件系统管理：组织和存储文件，包括文件的创建、删除、读写操作，以及管理文件的存储空间、目录结构等。
用户交互方面： - 提供用户接口，像命令行界面、图形界面等，方便用户操作计算机、运行程序、访问资源等。
进程管理方面： - 负责进程的创建、终止、同步、通信以及状态转换等，保障多个进程能并发且有序地运行。
系统安全与保护方面： - 通过权限设置、访问控制等机制保障系统及用户数据的安全，防止非法访问和恶意破坏。
2.内存与进程管理
内存管理：
- 内存分配：采用如连续分配、分页存储、分段存储等方式，按进程需求分给它们相应内存空间，确保各进程能正常运行。
- 内存回收：当进程结束或释放部分内存时，操作系统负责回收这些内存，重新整理内存资源以便再次分配。
- 内存保护：运用硬件和软件机制，防止进程间非法访问彼此内存区域，保障内存数据安全与系统稳定。
- 地址转换：通过页表、段表等进行逻辑地址到物理地址的转换，让进程能正确访问到对应的内存单元。
进程管理： - 进程创建：依据用户操作或系统需求，创建新进程，为其分配必要资源，如内存、打开文件等，初始化进程相关数据结构。
- 进程调度：运用多种调度算法，像时间片轮转、优先级调度等，合理分配CPU资源给就绪进程，决定进程的执行顺序与切换时机。
- 进程同步：利用信号量、互斥锁等机制，协调多个进程对共享资源的访问，避免冲突，确保并发进程有序运行。
- 进程通信：采用共享内存、消息队列、管道等手段，使不同进程间能相互传递信息、协同工作。
- 进程终止：当进程完成任务、出现错误或被用户强制终止时，操作系统负责回收其占用的各类资源，并清理相关数据结构。
3.分时系统
基本概念：它允许多个用户通过终端同时使用一台计算机，操作系统把CPU时间划分成很短的时间片，轮流分配给各个联机用户的作业或任务使用。
特点：
- 多路性：能同时连接多个用户终端，多个用户可同时使用系统。
- 独立性：每个用户感觉自己独占计算机系统，各用户作业间互不干扰。
- 及时性：系统对用户的请求能在较短时间内响应，使用户有较好交互体验。
- 交互性：用户可以随时通过终端与系统进行人机交互，比如输入命令、修改数据等，系统及时反馈结果。
应用场景：常用于多用户需要同时访问和操作计算机的场合，像学校机房供学生使用、企业内部多员工共用一台服务器进行办公操作等，在早期计算机资源有限但多用户有使用需求时发挥了重要作用。
关键技术支持：依赖高效的进程调度算法（如时间片轮转等）、内存管理、文件系统管理等，保障各用户任务能快速切换且顺利执行，维持系统稳定高效运行。
4.文件、文件系统
文件：
是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的有序序列。它可以是程序、文档、图像、音频等各种形式的数据集合，是计算机存储和管理信息的基本单位，每个文件都有文件名、类型、大小、创建时间等属性信息。
文件系统：
是操作系统用于管理文件的软件及相关的数据结构的集合。
- 功能方面：
- 文件存储空间管理：运用空闲表法、位示图法等方式对磁盘等存储设备上的空闲空间进行有效分配与管理，便于文件存储。
- 文件目录管理：通过树形等目录结构来组织文件，记录文件位置、属性等关键信息，方便文件查找、分类和访问。
- 文件读写操作管理：提供诸如创建、删除、打开、读、写等一系列操作接口，供用户或程序对文件进行相应处理。
- 文件保护与安全：采用访问控制列表、权限位等机制保障文件不被非法访问、篡改，维护文件的安全性。
- 常见类型：像FAT（文件分配表）系列、NTFS（新技术文件系统）常用于Windows系统，ext系列则广泛应用于Linux系统等，不同文件系统在性能、功能、适用场景等方面各有特点。
5.文件保护
访问控制机制：
- 访问控制列表（ACL）：针对每个文件或目录，详细列出不同用户或用户组对其所能进行的操作权限，如读、写、执行等，可精细地管控访问情况。
- 权限位设置：像在Linux系统中，通过设定文件所有者、所属组以及其他用户的读、写、执行权限位，简单直观地限制文件的访问行为，不同的权限组合决定了各类用户对文件的操作范围
用户认证方面： - 在访问文件前，要求用户提供合法的用户名、密码或其他认证凭证，只有通过认证的用户才有机会依据其权限去访问相应文件，以此避免非法用户接触文件资源。
加密保护： - 利用对称加密或非对称加密技术对文件内容进行加密处理，即使文件数据被窃取，没有对应的解密密钥，也无法获取真实的文件内容，有效保障文件在存储和传输过程中的保密性。
备份恢复机制： - 定期备份重要文件，当出现意外情况，如文件被误删除、遭到恶意破坏等时，可以利用备份数据及时恢复文件，确保文件的可用性和完整性。
