操作系统概述

操作系统的定义和作用

定义：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合。

作用：

（1）资源管理：能尽量有效、合理的方式组织和管理计算机资源。其中包括各种软硬件资源，CPU、内存、设备、时钟、网卡、文件等

资源管理的方式：

1、跟踪记录资源使用情况

2、确定资源分配策略

3、实施资源的分配和回收

4、提高资源的利用率

5、保护资源使用

6、协调多个进程对资源请求的冲突

（2）提供服务：为用户提供一组功能强大、方便使用的命令和系统调用（用户和计算机交互的两种方式）

（3）对硬件机器进行拓展（对应操作系统的虚拟性，见下文）：屏蔽硬件的一些繁琐操作和实现细节，将其包装成一些简单的操作，使硬件对程序员透明，对硬件进行抽象。

操作系统的特征

1、并发：能处理多个同时性的活动。并发与并行不同，并行指的是不同的程序在多个硬件部件上同时执行；但并发指的是同一个套硬件执行多个程序，在宏观上，不同的程序同时执行，但在微观上，同一时刻实际上只有一个程序在执行

2、共享：操作系统与多个用户的程序共同使用就计算机系统中的（有限的）资源。

互斥共享（如打印机）

同时共享（如可重入代码、磁盘文件等）

引发的问题：资源分配难以达到最优，如何保护资源？

3、虚拟：一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时或分空间。

虚拟是操作系统管理资源的重要手段，可以提高资源利用率。

如：CPU——每个进程的“虚处理机”

存储器——每个进程都有独立的虚拟地址空间（代码+数据+堆栈）

显示设备——多窗口或虚拟终端

4、随机：操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的时间进行响应和处理。

多个进程并发执行，“走走停停”，无法预知每个进程的运行快慢

也因此，难以重现在某个时刻的系统出现状态，包括难以重现同一个错误，这给操作系统的调试带来了很大的困难。

操作系统的架构

不同的系统有着不同的架构，如WINDOWS、UNIX、LINUX等，下面只是一些大致的架构，可能和具体的实现有所不同

1、内核模块：

（1）硬件抽象层：屏蔽了硬件的细节

（2）内核层：处理不同体系结构之间的功能，如线程管理、线程调度、终端处理、文件系统等

（3）设备驱动程序层：包括各个文件系统驱动程序，设备驱动程序等

（4）系统调用接口：与用户模块交互的通道

2、用户模块：

（1）动态链接库、环境子系统（WINDOWS独有）

（2）用户进程

（3）库函数

（4）应用程序

操作体统分类

根据需求和目的，操作系统的分类方式也有多种，以下是一种分类方式，根据工作方式和场景等来分类

1、批处理操作系统：用户把作业交给操作员，操作员将一批作业交给系统，那么操作系统会依次、顺序执行每个作业。一旦开始执行，用户无法对系统进行任何干预，即不能有任何交互。

（1）单道批处理系统：内存中只能有一个作业

（2）多道批处理系统：内存中可以有多个作业同时存在，以能够充分利用计算机的资源。

缺陷：由于慢速的输入输出，使得CPU在大部分时间处于空闲状态

解决方案：

（1）卫星机：卫星机完成面向用户的输入输出（读入纸带或卡片），中间结果暂存在磁盘或磁带上。由操作员将磁盘或磁带交给一部处理性能强的计算机来计算，计算结果暂存在磁盘或磁带中，由操作员将磁盘或磁带到另一个卫星机上来打印。

注：以上过程实际上涉及到了3台计算机，两台卫星机分别负责输入和输出的工作，而一个较强计算能力的机器专门负责计算，将慢速的输入输出和快速的计算进行分离，以提高CPU利用率。

（2）spooling技术：spooling技术将上述案例中三台计算机完成的任务合成到了一台计算机中。

spooling技术：是一个批处理系统实现通常采用的技术。又称为假脱机技术。

思想：利用磁盘作为缓冲，将输入、计算、输出分别组织成独立的任务流，是I/O和计算真正的并行

过程：

（1）用户作业加载到磁盘上的输入井

（2）按照某种调度作业选择几个搭配得当的作业，调入内存。

（3）作业运行的结果输出到磁盘上的输出井

（4）运行的结果从磁盘上的输出井送到打印机

时至今日，有些设备上依旧在使用spooling技术，如打印机。每一页可以认为是一个作业，一个文档被输入到打印机请求队列中（输入井），打印进程从输入井中读取数据负责打印。

spooling技术

2、分时操作系统：将CPU的时间划分为若干个片段，即时间片。操作系统以时间片尾单位，轮流为每个终端用户服务，每次服务的时间一个时间片，给每个用户的错觉是计算机上没有其他的用户，系统由其独占。

3、通用操作系统：分时操作系统和批处理系统相结合。分时优先、批处理在后。白天分时给大家用，晚上的时候用户不使用终端的时候再把大部分CPU用来处理批作业，因为分时系统对即时性要求较高，而批处理对响应时间要求不高。

4、实时操作系统：指计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的严格时间内做出响应，高可靠性。

5、个人计算机操作系统：追求界面友好，功能丰富

6、网络操作系统：追求相互通信、资源共享

7、分布式系统：以计算机网络为基础，或者以多个处理机为基础，基本特征是处理分布在不同计算机上，允许若干个计算机相互协作来完成同一项任务。处理能力增强、速度更快、对用户透明，即用户感觉不到分布式的存在。

8、嵌入式系统：它们是一个大设备的一部分，运行在嵌入式设备中。