1.1 操作系统的基本概念

什么是操作系统

操作系统（Operating System，OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，是计算机系统的核心与基石。

操作系统是一个系统软件，它管理计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供简单易用的接口。

操作系统的目标

1. 方便性

操作系统使计算机更易于使用，用户无需了解硬件细节。

2. 有效性

提高系统资源的利用率，提高系统的吞吐量。

3. 可扩充性

操作系统应该易于扩充和维护。

4. 开放性

遵循国际标准，便于移植和互操作。

操作系统的作用

1. 作为用户与计算机硬件之间的接口

操作系统为用户提供三种接口：

• 命令接口：用户通过命令与操作系统交互
  • 联机命令接口（交互式命令接口）
  • 脱机命令接口（批处理命令接口）
• 程序接口：用户通过系统调用使用操作系统功能
• 图形用户接口（GUI）：通过图形界面与操作系统交互

2. 作为计算机系统资源的管理者

操作系统管理的资源包括：

• 处理器管理：进程管理、处理器调度
• 存储器管理：内存分配、虚拟内存
• 文件管理：文件的存储、检索、共享
• 设备管理：设备的分配、驱动、控制

3. 实现对计算机资源的抽象

操作系统将硬件资源抽象为易于使用的逻辑资源。

操作系统的特征

1. 并发性（Concurrence）

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

并行是指两个或多个事件在同一时刻发生。

区别

• 并发：宏观上同时进行，微观上交替执行
• 并行：真正的同时执行，需要多个处理器

单处理器系统：只能并发，不能并行
多处理器系统：既可以并发，也可以并行

2. 共享性（Sharing）

共享是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。

共享方式：

• 互斥共享：一段时间内只允许一个进程访问（如打印机）
• 同时共享：允许多个进程同时访问（如磁盘文件）

考点提示
并发性和共享性是操作系统最基本的两个特征，二者互为存在条件。

3. 虚拟性（Virtual）

虚拟是指把一个物理实体变为若干个逻辑实体。

虚拟技术：

• 时分复用技术：虚拟处理器、虚拟设备
• 空分复用技术：虚拟存储器

4. 异步性（Asynchronism）

异步性是指进程以不可预知的速度向前推进。

由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是"走走停停"。

操作系统的功能

1. 处理器管理

• 进程控制：创建、撤销、阻塞、唤醒
• 进程同步：互斥、同步机制
• 进程通信：消息传递、共享内存
• 进程调度：作业调度、进程调度

2. 存储器管理

• 内存分配：连续分配、非连续分配
• 内存保护：防止进程越界访问
• 地址映射：逻辑地址到物理地址的转换
• 内存扩充：虚拟存储技术

3. 文件管理

• 文件存储空间管理
• 目录管理
• 文件的读写管理和保护

4. 设备管理

• 缓冲管理
• 设备分配
• 设备处理（设备驱动）

5. 用户接口

• 命令接口
• 程序接口（系统调用）
• 图形用户接口

操作系统的发展历程

1. 手工操作阶段（无操作系统）

• 用户独占全机
• CPU 等待人工操作
• 资源利用率低

2. 批处理阶段

单道批处理系统

• 自动成批处理作业
• 内存中只有一道程序
• CPU 利用率仍然较低

多道批处理系统

• 内存中同时存放多道程序
• 宏观上并行，微观上串行
• 显著提高资源利用率

特点：

• 多道：内存中同时存放多道程序
• 宏观上并行：多道程序同时处于运行状态
• 微观上串行：CPU 在多道程序间切换

3. 分时操作系统

分时：把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。

特点：

• 多路性：多个用户同时使用
• 独立性：用户感觉独占系统
• 及时性：用户请求能及时响应
• 交互性：用户与系统进行人机对话

4. 实时操作系统

实时系统：能够在规定的时间内完成对事件的处理。

分类：

• 硬实时系统：必须在严格的时间内完成（如导弹控制）
• 软实时系统：允许偶尔违反时间规定（如视频播放）

5. 网络操作系统

提供网络通信和网络资源共享功能。

6. 分布式操作系统

将多台计算机的资源统一管理，对用户透明。

7. 个人计算机操作系统

如 Windows、macOS、Linux 等。

8. 嵌入式操作系统

用于嵌入式系统，如智能手机、物联网设备。

操作系统的运行机制

1. 指令

• 特权指令：只能在核心态执行的指令（如 I/O 指令）
• 非特权指令：可以在用户态执行的指令

2. 处理器状态

• 核心态（管态、系统态）：可以执行所有指令
• 用户态（目态）：只能执行非特权指令

3. 程序

• 内核程序：操作系统的核心部分，运行在核心态
• 应用程序：用户程序，运行在用户态

系统调用

系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。

系统调用的过程

1. 应用程序调用库函数
2. 库函数将系统调用号放入寄存器
3. 执行 trap 指令（陷入指令）
4. CPU 从用户态切换到核心态
5. 操作系统根据系统调用号执行相应的服务
6. 返回用户态，继续执行应用程序

系统调用与库函数的区别

注意
库函数可能会调用系统调用，如 printf() 最终会调用 write() 系统调用。

本节小结

• 操作系统是管理计算机硬件和软件资源的系统软件
• 操作系统的四大特征：并发、共享、虚拟、异步
• 操作系统的主要功能：处理器管理、存储器管理、文件管理、设备管理
• 操作系统运行在核心态，应用程序运行在用户态
• 系统调用是应用程序请求操作系统服务的接口

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下一节： 1.2 操作系统的发展与分类