大学计算机基础-操作系统基础分类及特性

# 1. 操作系统基础概述

### 1.1 什么是操作系统
操作系统是一种系统软件，是计算机系统中最基本的系统软件，它管理和控制计算机硬件资源，并为应用软件提供一个可靠的工作环境。操作系统提供了一系列基本功能，如进程管理、内存管理、文件系统管理等。

### 1.2 操作系统的发展历程
操作系统经过了多个阶段的发展，从最初的批处理系统到现代的分布式操作系统。随着计算机硬件技术的不断发展，操作系统也不断演进和完善，为用户提供更好的使用体验和服务。

### 1.3 操作系统的作用及重要性
操作系统作为计算机系统的核心，承担着管理和控制硬件资源、提供用户接口、实现应用程序和硬件之间的交互等重要任务。操作系统的稳定性、安全性和性能直接影响着计算机系统的可靠运行和用户体验。

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# 2. 操作系统的分类

操作系统可以根据其功能和特点进行分类。下面介绍几种主要的操作系统分类：

#### 2.1 批处理操作系统
批处理操作系统是最早期的操作系统之一，它可以自动执行批量任务。用户将一系列任务以批处理文件的形式输入到系统中，操作系统按照特定的顺序逐个执行任务，无需用户干预。

批处理操作系统适用于需要重复执行相同任务的场景，如大规模数据处理、批量文件转换等。它的优点是高效、自动化，但缺点是不适合交互式任务，用户无法实时交互。

#### 2.2 分时操作系统
分时操作系统允许多个用户共享一台计算机，每个用户通过终端与计算机进行交互。分时操作系统以时间片的方式轮流为每个用户提供计算资源，用户可以通过命令行或图形界面操作系统。

分时操作系统适用于多用户场景，如大型企业、学校或实验室中的计算机共享。它的优点是可以提高计算资源利用率，满足多用户同时操作的需求。

#### 2.3 实时操作系统
实时操作系统对响应时间有着严格的要求，能够保证关键任务在规定的时间内完成。实时操作系统通常用于控制系统、航空航天、医疗仪器等领域，对任务的及时性要求较高。

实时操作系统可分为硬实时和软实时两种。硬实时系统要求任务必须在严格的时间限制内完成，否则可能导致系统故障；而软实时系统则允许任务在一定范围内超时，但不会对系统产生重大影响。

#### 2.4 分布式操作系统
分布式操作系统是由多台计算机组成的集群系统，每台计算机都有自己的操作系统，但它们协同工作以实现共同的目标。分布式操作系统提供了资源共享、高可用性、容错等功能，适用于大规模分布式计算和存储场景，如云计算平台。

#### 2.5 网络操作系统
网络操作系统是指可以通过网络连接和管理多台计算机的操作系统。它允许计算机之间的通信和协作，提供了分布式计算、资源共享、文件传输等功能。网络操作系统适用于需要多台计算机之间协同工作的场景，如大型企业、云计算平台等。

以上就是操作系统的几种主要分类。不同的操作系统类型适用于不同的场景和需求，选择合适的操作系统可以提高计算机的效率和可靠性。

# 3. 操作系统的特性

操作系统作为计算机系统中最基础的软件之一，具有以下几个重要的特性：

### 3.1 并发性

并发性是指多个任务同时执行的能力。在操作系统中，可以有多个进程或多个线程同时运行，它们可以并行执行，从而提高系统的吞吐量和效率。操作系统需要通过进程调度算法和资源分配策略来实现并发性。

并发性的实现方式有两种：多道程序设计和多线程。多道程序设计可以让多个程序同时加载到内存中，通过时间片轮转或优先级调度等算法切换执行，从而实现并发执行。多线程则是在一个进程内创建多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务，共享进程的资源，提高系统的并发性。

### 3.2 共享性

共享性是指多个进程或线程共同使用系统资源的能力。在操作系统中，资源包括CPU、内存、硬盘、打印机等。为了实现资源的高效利用，操作系统需要管理和调度对资源的访问。

共享资源的方式可以分为独占和共享两种。独占方式是指某个进程或线程独占一段时间内所有资源，其他进程或线程需要等待。共享方式则是资源可以同时被多个进程或线程使用，通过互斥、同步等机制保证资源的正确访问。

### 3.3 虚拟性

虚拟性是指通过操作系统对物理资源进行抽象和管理，为用户提供更简单、更易用的接口。操作系统隐藏了底层硬件的细节，将物理资源抽象为逻辑上的虚拟资源，用户通过操作虚拟资源来进行工作。

虚拟性的实现方式有多种，如虚拟内存、虚拟文件系统、虚拟设备等。虚拟内存可以将硬盘上的一部分空间作为扩展的物理内存，让程序以为自己在使用更多的内存；虚拟文件系统将不同的物理设备抽象为统一的文件访问接口；虚拟设备可以通过驱动程序模拟出硬件设备的功能。

### 3.4 异步性

异步性是指程序的执行顺序不可预测，操作系统需要根据进程的状态和优先级来进行调度，让多个进程或线程交替执行。在多任务环境下，由于进程的执行速度不同，无法确定某个时间点上哪个进程正在执行。

操作系统通过中断机制和进程调度算法来实现异步性。当硬件设备完成某个操作时，会触发中断信号，操作系统暂停当前进程的执行，处理中断请求后再恢复进程的执行。进程调度算法定期对进程进行切换，让每个进程都有机会执行。

### 3.5 实时性

实时性是指操作系统能够及时响应和处理各种事件，满足系统的时间要求。在实时操作系统中，任务需要按照预定的时间要求完成，不能出现延迟或中断。

实时性分为硬实时和软实时两种。硬实时要求任务必须在严格的时间限制内完成，一旦超时就会导致系统故障。软实时则允许任务在一定的时间范围内完成，超时只会导致性能下降，不会导致系统故障。

操作系统需要提供实时任务调度算法和实时资源管理机制来实现实时性。实时任务调度算法需要保证实时任务的执行时间要求，实时资源管理机制需要分配足够的资源给实时任务使用。

# 4. 操作系统的功能

## 4.1 进程管理

进程是指计算机中运行的程序的实例，进程管理是操作系统的核心功能之一，主要包括进程的创建、调度、同步、通信、销毁等方面。

### 4.1.1 进程的创建