概述
- 操作系统（OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件。是现代计算机系统中最基本和最重要的系统软件，大量的应用软件（编译程序、数据库管理系统…）都直接依赖于操作系统的支持，取得它所提供的服务。
- 操作系统位于应用软件之下，硬件之上，为应用软件提供服务支撑。
- 主要作用是管理好这些设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量，并为用户和应用程序提供一个简单的接口，便于用户使用。
- 对上，操作系统是一个控制软件，能够管理应用程序、为应用程序提供服务。对下，操作系统能够对资源进行管理，管理外设、分配资源。
- 操作系统需要权衡：空间与时间、性能和可预测性、公平和性能。
目标
- 方便性：配置了OS，系统可以使用编译命令将用户采用高级语言书写的程序翻译成机器代码，或者直接通过OS所提供的各种命令操纵计算机系统，使计算机变得易学易用。
- 有效性：①提高系统资源的利用率，使资源得到充分的利用。②提高系统的吞吐量（合理组织计算机工作流程，加速程序运行，缩短程序的运行周期）
- 可扩充性：OS从早期的无结构发展成模块化结构，进而又发展成层次化结构，近年来OS已经广泛采用了微内核结构。微内核结构能方便地增添新的功能和模块，对原有的功能和模块进行修改，具有良好的可扩充性。
- 开放性：系统能遵循世界标准规范，且凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，方便的实现互连。
作用
- OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。用户通过OS来使用计算机系统。如图可以看到，用户可以通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用方式和图标—窗口方式来实现操作系统的通信。
- OS作为计算机系统资源的管理者。在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可将这些资源分为四类：处理机、存储器、I/O设备以及文件（数据和程序）。OS的主要功能也正是对这四类资源进行有效的管理：处理机管理是用于分配和控制处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理是负责I/O设备的分配（回收）与操纵；文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。此外，当一台计算机系统同时供多个用户使用时，操作系统还需要对使用资源的请求进行授权，协调不同用户对共享资源的使用，避免发生冲突。
- OS实现了对计算机资源的抽象。OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，隐藏了对硬件操作的具体细节，让用户使用起来更加方便。例如对于I/O操作可以使用read、write命令，而无需关心I/O具体是如何实现的。
发展过程
- 未配置操作系统的计算机系统。
· 人工操作方式：程序员使用纸带传输程序和数据（用户独占全机、CPU等待人工操作）
· 脱机输入/输出方式：需要时才从磁盘调入（减少CPU空闲时间、提高I/O速度）
- 单道批处理系统：先把一批作业以脱机的方式输入到磁带上，并配上监控程序控制作业能一个接一个的连续处理。（内存中仅有一道程序，系统资源仍然得不到充分利用）
- 多道批处理系统：在系统中，用户所提交的作业先存放在外存上，并排成一个队列，称为“后备队列”。然后由作业调度程序按照一定的算法，从后背队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源。即可以在程序A进行I/O操作时的CPU空挡时间，调度程序B执行CPU操作，实现多道程序交替地进行，提高了资源利用率，吞吐量大，但涉及资源分配、数据安全等问题。
- 分时系统：在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端，并由此组成的系统，该系统允许多个用户同时通过自己的终端，以交换方式使用计算机，共享主机中的资源。满足了人机交互的需求。需要保证：及时接收、及时处理（作业直接进入内存；采用时间片轮转运行方式，外设时钟定期中断，把控制权交给操作系统完成调度）。特征：多路性、独立性、及时性、交互性。
- 实时系统：将时间作为关键参数，它必须对所接受到的某些信号做出“及时”或“实时”的反应。即在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有史诗任务协调一致的运行。特征：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性。
- 微机操作系统的发展：根据应用需求的不断扩大，OS不断发展。根据运行方式可以分为如下几类：
- 单用户单任务操作系统：只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。
- 单用户多任务操作系统：只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而提高系统性能。
- 多用户多任务操作系统：允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
基本特性
- 并发：计算机系统允许同时存在多个运行的程序，由OS管理和调度哪个占用CPU运行。
- 共享：资源共享，又有互斥共享（打印机）、“同时”访问（微观上是交替访问）两种方式。
- 虚拟：通过时分复用技术或控分复用技术，将一条物理信道变为若干条逻辑信道，使原来只能供一堆用户通话的物理信道，变为能供多个用户同时通话的逻辑信道。
- 异步：由于资源等因素的限制，程序的执行不是一气呵成，而是走走停停，向前推进的速度不可预知。但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要完全相同。
主要功能
- 处理机管理功能：处理机管理的主要功能有：进程控制（进程的创建、终止、状态转换）、进程同步（多个进程/线程运行的协调）、进程通信、调度（作业调度、进程调度）。传统的多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。
- 存储器管理功能：内存分配（静态分配、动态分配）、内存保护、地址映射、内存扩充（调入、置换）。存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提高良好的环境，提高存储器的利用率，方便用户使用，并能从逻辑上扩充内存。
- 设备管理功能：缓冲管理、设备分配、设备处理。
- 文件管理功能：文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理和保护。
- 提供操作系统与用于之间的接口。
- 现代操作系统的新功能：系统安全、网络通信和服务、支持多媒体。
本文为《计算机操作系统》第四版 学习笔记+个人总结。
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