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1. 操作系统的概念

大家熟悉的操作系统：iOS、Windows、Android、Linux、Symbian、HarmonyOS等。

操作系统是为它们所运行的程序提供服务，如执行新程序、打开文件、读文件、分配存储区以及获得当前时间等

1.1 计算机系统的层次结构：

计算机系统自下而上可以大致分为4部分：硬件、操作系统、应用程序和用户。

1.2 操作系统的定义：

操作系统，Operating System（OS）：

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的分配。
提供给用户和其他软件方便的接口和环境。
计算机系统中最基本的系统软件。

2. 操作系统的功能和目标

根据操作系统定义我们可知操作系统的功能和目标：

2.1 操作系统是系统资源的管理者

作为系统资源的管理者，操作系统提供的功能：

文件管理
存储器管理
处理机管理
设备管理

目标：安全、高效

2.2 操作系统向上层提供方便易用的服务

底层硬件只懂二进制指令（01010101...），如果直接对外暴露接口，是不友好的接口。在硬件之上安装了操作系统，操作系统对外暴露了友好的交互接口。

封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，而无需关心底层硬件的原理，只需对操作系统发出命令即可。

举例：

GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）。删除一个文件，只需将该文件“拖拽”到回收站即可。
用户通过命令接口交互：早期是没有图形化界面的，用户通过命令行与操作系统进行交互，命令接口分为两种：
- 联机命令接口：又称交互式命令接口。如 cmd 命令行，特点：用户说一句系统跟着做一句。
- 脱机命令接口：又称批处理命令接口。如 *.bat 文件，特点：用户说一堆，系统跟着做一堆。
程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能使用程序接口，程序员使用，只能通过代码间接调用。

程序接口由一系列的系统调用组成。系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。

用户可以通过使用GUI、命令接口等与操作系统进行交互。应用程序可以通过程序接口与操作系统进行交互。

2.3 操作系统是最接近硬件的一层软件

需要实现对硬件机器的拓展。通常把覆盖软件的机器称为扩充机器，又称虚拟机。

操作系统对硬件机器进行了拓展：将CPU、磁盘、内存、显示器等硬件合理地组织起来，让各种硬件相互协调配合，实现更多复杂的功能。

3. 操作系统的特征

操作系统的特征有：并发、共享、虚拟和异步。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，二者互为存在条件。

3.1 并发

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。

操作系统的并发性：指计算机系统中同时运行很多个程序，在宏观上这些程序是同时运行的，但微观上是交替发生的。

操作系统和程序并发是一起诞生的。

单核CPU中，各个程序只能并发执行。
多核CPU中，多个应用程序可以并行执行。

3.2 共享

共享即资源共享，是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。

两种资源共享方式：

互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问资源。
同时共享方式：一个时间段内允许多个进程同时（分时共享，微观上交替访问）访问资源。

并发和共享的关系：并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。共享性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。 并发性和共享性是互为存在条件。

3.3 虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。

两种虚拟技术：

空分复用技术：如虚拟存储器技术
时分复用技术：如虚拟处理器

没有并发性就没有虚拟性。

3.4 异步

异步，指在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，程序的执行不是一贯到底的，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。

没有并发性，就不能导致异步性。

没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

4. 操作系统的发展历程

4.1 手工操作阶段

早期电子计算机缺乏操作系统。程序员通常需要手动控制机器（如纸带机），使用插线板或设置开关来编程计算任务，处理速度慢，出错几率高。

手工操作系统操作步骤：

Step 1：程序员将有代码的纸带放入纸带机。（超慢）
Step 2：计算机从纸带机读取纸带。（慢）
Step 3：计算机进行计算。（快）
Step 4：纸带机从计算机中读取结果。（慢）
Step 5：程序员从纸带机中取出结果纸带。（超慢）

手工操作的缺点：

用户独占全机。并且每次只能运行一个任务。
人机速度矛盾导致资源利用率极低。

4.2 批处理阶段

4.2.1 单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（外围机 + 磁带），并由监督程序（操作系统雏形）负责控制作业的输入、输出。

通过外围机把程序提前存到磁带里。

单道批处理系统的优点：

缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

单道批处理系统的缺点：

资源利用率依然低。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仍有大量时间是在空闲等待I/O 完成。

4.2.2 多道批处理系统

每次向内存中读入多道程序。操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。多道批处理系统的优点：

资源利用率大幅度提升。多道程序并发运行，共享计算机资源，系统吞吐量增大。

多道批处理系统的缺点：

用户响应时间长，没有人机交互功能。用户提交自己的作业后只能等待计算机处理完成。

4.3 分时操作系统

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（键盘、鼠标等）与计算机进行交互。

分时操作系统的优点：

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，并且用户对计算机的操作相互独立，感觉不到别人的存在。

4.4 实时操作系统

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

实时操作系统分为两种：

硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理。自动驾驶系统、导弹控制系统。
软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定。火车订票系统。

实时操作系统的优点：能够响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

4.5 其他几种操作系统

4.5.1 网络操作系统

网络操作系统伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。

如 Windows NT 操作系统。

4.5.2 分布式操作系统

分布式操作系统：系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由他们并行、协同完成这个任务。

分布式操作系统特点：分布性和并行性。

4.5.3 个人操作系统

方便个人使用。如 Windows、MacOS 等。