操作系统概述
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定义与功能
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操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。其主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理以及提供用户接口。
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处理机管理负责合理分配 CPU 时间片给不同的进程和线程，实现多任务并行处理；存储器管理负责内存分配、回收、地址转换等，提高内存利用率并保障系统安全；设备管理实现对外部设备的驱动、分配、控制等操作；文件管理则对文件的存储、检索、更新等进行管理；用户接口包括命令行界面和图形用户界面等，方便用户与计算机交互。
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进程管理
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进程概念
- 进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。每个进程都有独立的地址空间、代码、数据和运行环境。进程包含了程序计数器、寄存器、堆栈等信息。
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进程状态及转换
- 就绪状态：进程已获得除 CPU 之外的所有必要资源，只要得到 CPU 就可以立即运行。
- 运行状态：进程正在 CPU 上运行。
- 阻塞状态：进程由于等待某一事件（如 I/O 操作完成、等待信号等）而暂停运行。
- 就绪→运行：被调度程序选中分配到 CPU。运行→就绪：时间片用完或被更高优先级进程抢占 CPU。运行→阻塞：进程因等待事件发生而进入阻塞状态。阻塞→就绪：等待的事件完成，进入就绪队列等待 CPU 调度。
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进程同步与互斥
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互斥：多个进程在访问临界资源（一次只允许一个进程使用的资源）时必须互斥进行，通过信号量、锁机制等实现。
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同步：多个进程之间存在协作关系，通过信号量、消息传递等机制协调它们的执行顺序和速度。
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存储管理
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内存分配方式
- 连续分配：包括单一连续分配（适用于单用户、单任务操作系统）和固定分区分配（将内存划分为固定大小的分区）、动态分区分配（根据进程需求动态分配内存空间）。
- 离散分配：分页存储管理（将内存分为固定大小的页框，程序分为大小相同的页）、分段存储管理（将程序按逻辑划分为段）、段页式存储管理（结合分段和分页的优点）。
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虚拟内存
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通过在硬盘上开辟一部分空间作为虚拟内存，使得程序可以使用比实际物理内存更大的内存空间。虚拟内存技术需要页表、缺页中断处理、页面置换算法等支持。常用的页面置换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法、时钟（CLOCK）算法等。
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设备管理
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设备分类
- 按数据传输速率可分为低速设备（如键盘、鼠标）、中速设备（如打印机）、高速设备（如磁盘）。按信息交换单位分为块设备（如磁盘）和字符设备（如键盘）。
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设备驱动与控制
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操作系统通过设备驱动程序与硬件设备进行通信，对设备进行控制和管理。设备管理包括设备分配、缓冲管理、设备独立性等功能。设备独立性使得应用程序不依赖于具体物理设备，通过逻辑设备名进行操作。
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文件管理
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文件系统结构
- 文件系统负责文件的存储、检索、更新等管理操作。文件按逻辑结构可分为无结构的流式文件和有结构的记录式文件。文件在存储介质上以目录和文件的形式组织。目录用于管理文件，包含文件的属性信息如文件名、文件大小、创建时间等。
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磁盘管理
- 磁盘调度算法用于优化磁盘 I/O 操作，常见的有先来先服务（FCFS）算法、最短寻道时间优先（SSTF）算法、扫描（SCAN）算法、循环扫描（CSCAN）算法等。磁盘格式化、分区、坏道处理等也是磁盘管理的重要内容。
（以上内容来自“豆包”大模型）
