0. 简介

       操作系统 OS 是指用于控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源分配，以提供给用户和其他软件方便地接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

1. 操作系统的目标和作用

       目标

       方便用户和提高效率。

       作用

1. OS 是用户与裸机间接口

       操作系统为方便用户使用计算机，提供了二级访问接口，如下：命令接口、调用接口、图形接口

2. OS 是资源管理器

       跟踪资源：时刻掌握计算机系统中资源的使用情况。
       分配资源：处理对资源的使用请求，协调冲突，确定资源分配算法。
       回收资源：回收用户释放的资源，方便重新分配。
       保护资源：负责对系统资源的保护，避免受破坏。

       操作系统负责管理以下四类资源：

• 处理机资源
• 存储资源
• 设备资源
• 文件资源

3. OS 是虚拟机

       提供硬件的高层界面（虚拟机），取消硬件限制。
       1）操作系统提供无限的内存、CPU。
       2）扩充机器，功能更强大，使用更方便。

2. 操作系统的发展

2.1 手工操作阶段

       有专业人员负责信息的录入以及录出，交由计算机处理。

       主要缺点：用户独占主机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

2.2 单道批处理系统

       利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列。每个批作业由一个专门的监督程序（Monitor）自动批次处理。

       主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
       主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU 有大量的时间是在空闲等待 I/O 完成。资源利用率依然很低。

2.3 多道批处理系统

       每次往内存中输入多道程序。

       主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU 和其他资源保持 “忙碌” 状态，系统吞吐量增大。

       主要缺点：用户响应时间大，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）

2.4 分时系统

       计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

       主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，冰球用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

       主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完成公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

2.5 实时系统

       在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

       主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

       分时系统与实时系统的比较：
       系统设计目标：分时系统是一种提供随时可供多个用户使用的操作系统，实时系统大多数具有特殊用途的系统。
       交互性强弱：分时具有较强的对话和交互能力，而实时系统交互性弱。
       响应时间的长短：分时只要能满足一般用户能接受的等待时间即可，而实时系统的响应时间要求严格。
       其他：均具备多路性、独立性、及时性、可靠性。实时系统对及时性和可靠性要求更高。

2.6 分布式和网络系统

       网络和分布式的区别：

       分布式系统的各个计算机之间处于平等地位，无主从关系；网络有一些主从关系。
       分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享。
       根部式系统中一项任务可分给若干处理单元相互协作共同完成，而网络往往是各司其责。

3. 操作系统特性

3.1 并发性

       并行性：两个或多个事件在同一时刻发生。

       并发性：两个或多个事件在同一事件间隔内发生地。宏观上是同时发生的，微观上是交替发生的。

3.2 共享性

       资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

       资源共享的方式：

1. 互斥共享方式
          系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。

2. 同时共享方式
          系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进程访问。

       并发和共享的关系：

       并发和共享互为存在条件。

3.3 虚拟性

       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）。

3.3.1 时分复用技术

       利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其他用户服务，使设备得到最充分利用。

       （1）虚拟处理机技术：利用多道程序设计技术，为每道程序建立至少一个进程，让多道程序并发执行。
       （2）虚拟设备技术：将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑上的 I/O 设备。

3.3.2 空分复用技术

       利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此来提高内存的利用率。

3.4 异步性

       在多道程序环境下，由于系统资源有限，程序不可能一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

1. 异步性也称不确定性，指进程的执行顺序和执行时间及结果的不确定性
2. 程序执行结果不确定，不可再现。相同输入与环境下多次运行结果不同
3. 多道程序设计环境下，程序按异步方式运行。多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢，引发执行顺序与时间的不确定。

4. 操作系统的运行环境

4.1 指令

       “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。

       特权指令
       只能在操作系统内核执行的指令，用户态并不能执行。

       用户指令
       既能在用户态执行，由能在内核态执行的指令。

4.2 程序

       内核程序

       操作系统的内核程序是系统的管理者，即可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

       应用程序
       为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

4.3 操作系统的体系结构

4.3.1 内核

       内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。

       实现操作系统内核功能的哪些程序就是内核程序。

4.3.2 大内核

       将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。

       优点：高性能。

       缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。

4.3.3 微内核

       只把最基本的功能保留在内核。

       优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。

       缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

5. 操作系统的功能

       操作系统五大管理功能

1. 操作系统接口

       图形接口、命令接口、程序接口

2. 文件管理

       目录管理、读写管理、权限管理、软件管理、存储空间管理

3. 进程管理

       进程控制：为作业创建进程，撤销（或终止）已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换
       进程调度：从进程的就绪队列中按照一定算法选出一个进程，将处理机分配给它
       进程同步：用户为多个进程（含线程）的运行进行协调，有进程互斥和进程同步两种方式
       进程通信：实现相互合作进程之间的信息交换

4. 内存管理

       存储分配、存储扩充、存储保护、地址重定位

5. 外设管理

       设备分配、缓冲管理、设备独立性、设备驱动程序