操作系统（1）第一章- 操作系统的概念和功能

操作系统（Operating System，简称 OS ）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件 ，是计算机系统的核心与基石。它处于硬件层 与应用层之间，向下抽象并管控硬件资源，向上为应用程序提供统一、易用的接口，是用户、应用程序与计算机硬件之间的 "桥梁"。

一、 操作系统的核心概念

1. 本质定位

操作系统不是硬件，也不是普通应用程序，而是一套资源管理与协调的软件集合，核心目标是：

• 高效性：最大化硬件资源的利用率（如 CPU 分时复用、内存按需分配）；
• 稳定性：保证多程序并发运行时互不干扰，避免资源冲突；
• 易用性：屏蔽硬件的复杂性，为用户和应用程序提供简洁的操作与编程接口；
• 安全性：隔离不同用户和程序的资源访问权限，防止非法操作。

2. 核心特征

特征	具体说明
并发性	支持多个程序同时运行（宏观并行，微观可能是 CPU 分时切换），是操作系统最核心的特征
共享性	硬件资源（CPU、内存、外设）和软件资源（文件、数据）可被多个并发程序共享，需通过同步机制避免冲突
虚拟性	通过软件技术将物理硬件抽象为多个逻辑资源，如 "虚拟内存"（硬盘模拟内存）、"虚拟 CPU"（分时复用）
异步性	程序的执行是 "走走停停" 的，进程的推进速度由调度算法决定，不可预知但整体有序

3. 常见操作系统分类

分类维度	典型代表	适用场景
按用户界面	命令行操作系统（Linux 终端）、图形界面操作系统（Windows、macOS）	服务器（命令行）、桌面端（图形界面）
按运行环境	桌面操作系统（Windows、macOS）、服务器操作系统（Linux、Unix）、嵌入式操作系统（RT-Thread、VxWorks）、移动操作系统（Android、iOS）	日常办公、云计算、工业控制、智能手机
按内核架构	宏内核（Linux、Windows）、微内核（QNX、Minix）	通用场景（宏内核）、高可靠场景（微内核，如航空航天）

二、 操作系统的五大核心功能

操作系统的所有模块都围绕 "资源管理" 展开，核心功能可分为五大模块，相互协同支撑整个系统的运行。

1. 进程与线程管理（CPU 资源管理）

这是操作系统最核心的功能，负责合理分配 CPU 时间片，保证多程序并发运行。

• 核心任务 ：
  1. 进程控制：创建、撤销、阻塞、唤醒进程，管理进程的生命周期（新建→就绪→运行→阻塞→终止）；
  2. 进程调度：通过调度算法（如时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列），决定哪个进程获得 CPU 使用权；
  3. 进程同步与互斥：解决多个进程共享资源时的冲突问题，如信号量、管程、临界区保护；
  4. 线程管理：管理轻量级进程（线程），实现进程内的并发执行，降低上下文切换开销。
• 核心意义：最大化 CPU 利用率，避免 CPU 空闲等待外设。

2. 内存管理（内存资源管理）

负责分配、回收和保护内存空间，解决 "内存空间有限" 与 "程序需求多样" 的矛盾。

• 核心任务 ：
  1. 内存分配与回收：为进程分配连续或离散的内存空间，进程结束后回收内存；
  2. 地址映射 ：通过内存管理单元（MMU） 实现虚拟地址→物理地址的转换，隔离不同进程的内存空间；
  3. 虚拟内存管理：利用硬盘空间模拟内存，扩展进程可用的地址空间，解决 "大程序运行在小内存" 的问题；
  4. 内存保护：通过页表权限位、段寄存器等机制，防止进程越界访问其他进程的内存。
• 关键技术：分页存储、分段存储、段页式存储、页面置换算法（LRU、Clock）。

3. 设备管理（I/O 外设资源管理）

负责管理所有输入输出设备，协调 CPU、内存与外设之间的数据传输。

• 核心任务 ：
  1. 设备分配与回收：根据设备类型（独占设备如打印机、共享设备如硬盘）分配资源；
  2. I/O 控制：实现四种 I/O 控制方式（程序查询、中断驱动、DMA、通道控制），提升数据传输效率；
  3. 缓冲管理：在内存中设置缓冲区，解决 CPU 与外设的速度差异（如硬盘读写缓冲区、打印机缓冲区）；
  4. 设备独立性：应用程序通过逻辑设备名访问外设，无需关心物理设备的具体型号，由操作系统完成映射。
• 核心意义：屏蔽外设的硬件差异，提升 I/O 传输效率。

4. 文件管理（软件资源管理）

负责管理存储在外存（硬盘、U 盘）上的文件和目录，是用户与外存之间的接口。

• 核心任务 ：
  1. 文件存储空间管理：分配和回收外存空间，如空闲表法、空闲链表法、位示图法；
  2. 目录管理：建立和维护目录结构（树形目录、多级目录），实现文件的按名存取；
  3. 文件操作：提供创建、删除、打开、关闭、读、写等文件操作接口；
  4. 文件保护：通过权限控制（读 / 写 / 执行）、密码保护等方式，防止文件被非法访问或修改。
• 关键技术：文件的逻辑结构（顺序文件、索引文件）、物理结构（连续分配、链接分配、索引分配）。

5. 用户接口（人机交互接口）

为用户和应用程序提供与操作系统交互的渠道，分为两类接口：

• 用户接口 ：
  1. 命令接口 ：用户通过命令行输入指令（如 Linux 的 ls、cd 命令），操作系统执行相应操作；
  2. 图形用户接口（GUI）：用户通过图标、菜单、窗口等图形元素操作计算机（如 Windows 的桌面、macOS 的 Finder）。
• 程序接口（系统调用） ：应用程序通过系统调用 请求操作系统提供服务，如进程创建（fork）、文件读写（read/write）、内存分配（malloc）。系统调用是应用程序进入内核态的唯一入口，保证了系统的安全性。

三、 操作系统的核心价值

1. 硬件抽象层：屏蔽不同硬件的差异，让应用程序无需关心硬件细节即可运行；
2. 资源调度器：高效分配 CPU、内存、外设等资源，最大化系统整体性能；
3. 程序运行的支撑环境：提供进程管理、内存管理等功能，保证程序的并发、安全运行；
4. 用户与计算机的交互桥梁：提供友好的接口，降低用户使用计算机的门槛。

简单来说：没有操作系统，用户只能通过机器语言直接操作硬件；有了操作系统，用户可以轻松运行各种应用程序。

四、操作系统的特征

操作系统的核心特征是其区别于普通软件的本质属性，这些特征相互关联、互为支撑，共同实现多程序并发运行、硬件资源高效管理 的核心目标。操作系统的四大核心特征为：并发性、共享性、虚拟性、异步性 ，其中并发性是最核心的特征，其他特征均围绕并发性展开。

一、 并发性（Concurrence）

1. 核心定义

指宏观上多个程序同时运行，微观上可能交替执行的特性。

• 宏观并行：从用户视角看，计算机能同时运行多个程序（如一边听歌、一边写代码、一边下载文件）；
• 微观交替 ：在单 CPU 系统中，CPU 通过时间片轮转机制，快速切换执行不同程序的指令，给用户 "同时运行" 的错觉；在多 CPU 系统中，可实现真正的硬件并行。

2. 关键区别

• 并发 vs 并行 ：
  • 并发：同一时间段内多个程序交替执行（单 CPU 核心的核心工作模式）；
  • 并行：同一时刻多个程序同时执行（多 CPU 核心或多核处理器的工作模式）。操作系统的并发性既支持并发，也支持并行。

3. 核心支撑技术

进程 / 线程调度、上下文切换、中断机制，这些技术保证了 CPU 资源能被多个程序高效复用。

二、 共享性（Sharing）

1. 核心定义

指系统中的硬件和软件资源可被多个并发程序共同使用的特性。共享性是并发性的必然要求 ------ 若程序无法共享资源，并发运行将失去意义。

2. 共享的两种方式

共享方式	核心特点	适用资源	示例
互斥共享	同一时刻，资源只能被一个程序占用；占用方释放后，其他程序才能使用	临界资源（如打印机、键盘、独占式外设，或内存中的共享变量）	打印机打印文件时，其他程序需排队等待；两个进程修改同一变量时需加锁
同时共享	同一时刻，资源可被多个程序同时访问（宏观同时，微观可能交替）	可重入资源（如内存、硬盘、网卡、文件）	多个程序同时读取同一文件；多个进程同时占用内存的不同区域

3. 核心问题与解决

共享资源的最大挑战是冲突与竞争 ，操作系统通过同步与互斥机制（如信号量、管程、临界区保护）解决这一问题，保证资源的有序使用。

三、 虚拟性（Virtualization）

1. 核心定义

指操作系统通过软件技术，将物理上的一个资源抽象为逻辑上的多个资源，或将多个物理资源抽象为一个逻辑资源，从而提升资源利用率的特性。

2. 典型的虚拟技术

虚拟类型	核心实现	作用	示例
虚拟处理器（CPU 虚拟化）	通过时间片轮转，将一个物理 CPU 抽象为多个逻辑 CPU	让多个程序 "同时" 使用 CPU	单 CPU 系统中同时运行浏览器、编辑器、音乐播放器
虚拟内存	通过页表机制 + 硬盘交换区，将物理内存和部分硬盘空间整合，抽象为连续的逻辑内存空间	突破物理内存大小限制，支持大程序运行	4GB 物理内存的电脑可运行占用 8GB 内存的软件
虚拟外设	通过设备抽象层，将物理外设抽象为标准化的逻辑设备	屏蔽硬件差异，方便程序调用	不同品牌的打印机，在操作系统中都被抽象为 "打印机" 设备，程序无需区分型号
虚拟终端 / 虚拟机	终端虚拟化：通过软件模拟多个命令行终端；虚拟机：通过 Hypervisor 模拟完整的计算机系统	提升人机交互效率，或实现系统隔离	Linux 的 TTY1~TTY6 虚拟终端；VMware、VirtualBox 虚拟机

四、 异步性（Asynchronism）

1. 核心定义

指程序的执行是 "走走停停" 的，推进速度不可预知，但整体运行有序的特性。

• 程序运行时，会因抢占 CPU、等待 I/O、等待资源等原因暂停（如程序等待硬盘读写数据时，CPU 会切换执行其他程序）；
• 当满足继续执行的条件时（如 I/O 完成、获得 CPU 时间片），程序会恢复运行。
• 从单个程序的视角看，执行过程是异步、不可预测 的；但从操作系统的视角看，所有程序的执行都被调度机制管理，整体是有序、可控的。

2. 核心原因

• 程序执行依赖资源分配（CPU、内存、外设），而资源分配由调度算法决定；
• 外设的 I/O 速度远慢于 CPU，程序频繁等待 I/O 完成，导致执行过程中断。

3. 关键保障

操作系统通过进程状态管理、中断响应、调度算法，保证异步执行的程序不会出现混乱，最终能完成预期功能。

五、 四大特征的关联关系

1. 并发性是核心：没有并发性，共享性、虚拟性、异步性都失去存在的意义；
2. 共享性是并发性的支撑：程序并发运行的前提是能共享 CPU、内存、外设等资源；
3. 虚拟性提升并发和共享的效率：通过虚拟化技术，让有限的物理资源能服务更多程序；
4. 异步性是并发和共享的必然结果：多程序共享资源、交替执行，必然导致单个程序的异步执行。

六、操作系统的发展和分类

操作系统（OS）的发展历程是硬件性能提升 与用户需求演进共同驱动的结果，从最初的 "手工操作" 到现代的 "分布式云操作系统"，其功能从单一的 "硬件管控" 逐步扩展为 "资源管理、并发调度、人机交互、安全隔离" 的综合系统软件。同时，根据不同的划分维度，操作系统可分为多种类型，适配不同的应用场景。

一、 操作系统的发展历程（按阶段划分）

操作系统的发展大致可分为 5 个核心阶段，每个阶段都解决了前一阶段的核心痛点，功能逐步完善。

1. 手工操作阶段（无操作系统，20 世纪 40 年代末 - 50 年代初）

• 硬件背景：第一代电子计算机（如 ENIAC），采用真空管和穿孔卡片，运算速度慢（每秒数千次），无外部存储设备。
• 操作方式 ：程序员手工插拔线路板、装载穿孔卡片，独占整个计算机资源；程序运行时，CPU 需等待人工操作，资源利用率极低（CPU 空闲时间远超工作时间）。
• 核心痛点：无任何自动化管理，完全依赖人工，效率极低，仅能支持单程序运行。

2. 批处理操作系统阶段（20 世纪 50 年代中 - 60 年代初）

• 硬件背景：第二代计算机，采用晶体管，出现磁带、磁盘等外部存储设备，CPU 运算速度提升。
• 核心改进 ：引入批处理监控程序（操作系统的雏形），将多个用户的程序和数据 "批量" 输入到磁带 / 磁盘中，由监控程序自动依次加载运行，无需人工干预。
• 细分类型
  • 单道批处理：内存中仅能存放一个程序，CPU 执行完一个程序后再加载下一个；仍存在 CPU 等待外设（如磁带读写）的问题。
  • 多道批处理 ：内存中同时存放多个程序，CPU 采用多道程序设计技术 ，在一个程序等待 I/O 时，切换执行另一个程序，首次实现 CPU 与外设的并行工作，大幅提升资源利用率。
• 核心意义：标志着操作系统的诞生，实现了程序运行的自动化管理。

3. 分时操作系统与实时操作系统阶段（20 世纪 60 年代中 - 70 年代）

• 硬件背景：第三代计算机，采用集成电路，CPU 运算速度大幅提升，出现多终端设备。
• （1）分时操作系统
  • 核心思想 ：将 CPU 的时间划分为时间片，轮流分配给多个终端用户的程序，每个用户都能 "实时" 感受到独占计算机。
  • 关键特征 ：交互性、多路性、独立性、及时性；用户通过终端输入命令，操作系统即时响应，支持多人同时使用计算机。
  • 典型代表：UNIX 系统（1969 年，肯・汤普森在贝尔实验室开发），奠定了现代操作系统的基础架构。
• （2）实时操作系统
  • 核心需求 ：针对工业控制、军事等场景，要求在规定的时间内完成任务，否则会导致严重后果。
  • 关键特征 ：高可靠性、强实时性、优先级调度；分为硬实时（必须在截止时间前完成，如导弹控制系统）和软实时（允许少量延迟，如视频会议）。
  • 典型代表：VxWorks、RT-Thread、QNX。
• 核心意义：操作系统从 "批处理的非交互模式" 进化为 "分时的交互模式"，同时分化出面向工业控制的实时分支。

4. 通用操作系统阶段（20 世纪 80 年代 - 21 世纪初）

• 硬件背景：第四代计算机，采用大规模集成电路，个人计算机（PC）普及，网络技术兴起。
• 核心特征 ：融合批处理、分时、实时的功能，支持多用户、多任务、网络通信，兼顾交互性和高效性。
• 典型代表
  • 桌面操作系统：MS-DOS（1981 年）、Windows（1985 年，图形界面革命）、macOS（基于 UNIX）；
  • 服务器操作系统：Linux（1991 年，林纳斯・托瓦兹开发，开源免费）、UNIX 的各类变种（Solaris、AIX）；
• 核心意义：操作系统进入 "通用化" 时代，覆盖个人办公、企业服务器等多种场景；Linux 的出现推动了开源软件生态的发展。

5. 现代操作系统阶段（21 世纪初至今）

• 硬件背景：多核 CPU、云计算、物联网、移动设备普及，计算资源从单机扩展到分布式集群。
• 核心演进方向
  • 移动操作系统：针对智能手机、平板，优化触控交互、低功耗管理，典型代表：Android（基于 Linux 内核）、iOS（基于 UNIX）；
  • 分布式操作系统：管理跨地域的多台计算机集群，将其抽象为统一的计算资源池，支持海量数据处理和高并发，典型代表：Google GFS、Hadoop、Kubernetes（容器编排系统）；
  • 物联网操作系统：针对嵌入式设备（传感器、智能家电），优化内存占用、低功耗、实时性，典型代表：Contiki、FreeRTOS、鸿蒙（HarmonyOS，面向万物互联）；
  • 云操作系统：管理云计算中心的硬件资源，为用户提供弹性的计算、存储服务，典型代表：OpenStack、阿里云飞天；
• 核心特征 ：网络化、分布式、智能化、跨设备兼容，支持 "万物互联" 和 "大规模并行计算"。