操作系统学习（一）——操作系统基础

一、操作系统

操作系统（Operating System, OS） 是一种系统软件，用于管理计算机硬件与软件资源，并为应用程序提供服务。

作用：

1. 资源管理者：管理CPU、内存、硬盘、I/O设备等资源；
2. 用户与硬件之间的桥梁：用户通过操作系统间接使用硬件；
3. 提供运行环境：为应用程序提供运行支持，如文件系统、网络、接口等；
4. 提高效率与用户体验：通过调度、并发控制、虚拟内存等手段提升系统响应和吞吐率。

基本特征：

特征名称	说明
并发性（Concurrency）	多个程序或进程可以“同时”运行，提高资源利用率和系统吞吐量
共享性（Sharing）	多个用户或进程可以共享计算机系统中的硬件或软件资源
虚拟性（Virtualization）	操作系统通过抽象和模拟机制将物理资源虚拟为多个逻辑资源
异步性（Asynchrony）	程序执行的不可预知性，每个进程按自己的速度独立运行
程序控制性	操作系统控制程序的运行，包括加载、调度、挂起、终止等
中断处理性	能及时响应和处理来自硬件或软件的中断事件
安全性与保护性	提供用户隔离、权限管理、错误处理，确保系统稳定和数据安全

二、操作系统的功能

1. 进程管理（Process Management）

• 进程与线程；
• 进程状态（就绪、运行、等待）；
• 进程调度算法（FCFS、SJF、RR、优先级调度等）；
• 同步与互斥（信号量、互斥锁）；
• 死锁（产生条件、预防与解除方法）。

2. 内存管理（Memory Management）

• 内存分配方式（连续分配、分区分配、分页、分段）；
• 虚拟内存（页表、TLB、换页算法如LRU、FIFO）；
• 内存保护和地址转换（逻辑地址 ↔ 物理地址）。

3. 文件系统（File System）

• 文件的组织方式（顺序、索引、链接）；
• 目录结构（单级、多级、树型）；
• 文件操作（创建、读写、删除）；
• 存储管理（空闲空间管理、磁盘调度算法）。

4. 设备管理（Device Management）

• I/O设备分类（块设备、字符设备）；
• I/O控制方式（中断、轮询、DMA）；
• 缓冲管理、驱动程序；
• 设备独立性与抽象。

5. 用户接口（User Interface）

• 命令行界面（CLI）与图形用户界面（GUI）；
• 系统调用（System Call）机制。

三、操作系统的类型

• 批处理系统（Batch System）：早期操作系统，不支持交互；
• 分时系统（Time-Sharing System）：多个用户共享计算机资源；
• 实时系统（Real-Time System）：对时间要求高的系统，如工业控制；
• 网络操作系统（Network OS）：支持网络通信和分布式计算；
• 嵌入式操作系统（Embedded OS）：运行在嵌入式设备上，如RTOS。

四、操作系统的结构

1. 单体结构（Monolithic）

• 所有功能模块紧密集成在内核中，如Unix。
• 优点：性能高、通信开销小；
• 缺点：模块耦合强、难维护、扩展性差。

示例：MS-DOS、早期 UNIX。

2. 分层结构（Layered Design）

• 操作系统划分为若干层，每层只依赖于下层，提供服务给上层。
• 优点：结构清晰、易调试；
• 缺点：设计复杂、性能略下降。

示例：THE 操作系统、部分 UNIX 分层实现。

3. 微内核结构（Microkernel）

• 核心思想：把内核功能“做小”，只保留：
  • 进程/线程管理，
  • 中断处理，
  • IPC（进程通信），
  • 基本内存管理。
• 其他功能（如文件系统、网络协议、驱动）放到用户空间运行。
• 优点：
  • 安全性强：出错只影响对应模块；
  • 可移植性好。
• 缺点：
  • 模块间频繁通信，性能损耗较大。

示例：Minix、QNX、Mach（Mac OS X 基础）。

4. 模块化结构

• 特点：
  • 类似单体结构，但模块可以动态加载/卸载；
  • 内核支持插件式功能扩展（如 Linux 的 insmod、modprobe）。
• 优点：
  • 可扩展、易维护；
  • 性能优于微内核。
• 缺点：
  • 若模块错误，仍可能影响内核稳定。

示例：现代 Linux、Windows NT 系列。

5. 客户机-服务器结构（Client-Server OS）

• 特点：操作系统被分为客户端（请求服务）与服务器（提供服务）进程。
• 通信方式：消息传递（message passing）；
• 典型应用：分布式系统、网络操作系统。

示例：Andrew 文件系统（AFS）、Plan 9 from Bell Labs。

6. 虚拟机结构

• 思想：将物理硬件抽象成多个逻辑主机，每个虚拟机可运行一个操作系统实例。
• 组件：
  • VMM（虚拟机监视器 / Hypervisor）；
  • 客户操作系统（Guest OS）。
• 优点：
  • 实验、测试、隔离、安全性强；
• 缺点：
  • 有一定性能损耗。

示例：VMware、VirtualBox、KVM、Xen、JVM（针对 Java）。

五、操作系统的典型实例

历史发展：

• DOS → UNIX → Windows → Linux → Android、iOS等移动系统

典型操作系统：

• Windows：用户友好、图形化界面；
• Linux/Unix：开源、稳定、安全，广泛用于服务器和嵌入式；
• Android：基于Linux内核，面向移动设备；
• iOS/macOS：Apple公司系统，封闭、安全、优化良好。