操作系统核心概念与多道程序设计解析

"操作系统-总复习.pdf" 操作系统是计算机系统的核心组成部分，负责管理和控制计算机的硬件及软件资源，提供高效、安全、稳定的运行环境。它既是计算机硬件与用户之间的桥梁，也是软件开发者与硬件资源之间的中介。操作系统的主要功能包括处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理等。 在计算机系统中，软件分为系统软件和应用软件两大部分。系统软件主要包括操作系统、编译程序、软件开发工具等，它们是计算机系统的基础，支撑着各种应用软件的运行。而应用软件则是针对特定用户需求设计的，如办公软件、图像处理软件、游戏等。 操作系统作为系统软件的主体，它的核心概念包括处理器管理、存储管理、文件管理和设备管理。处理器管理涉及进程调度，确保多个进程公平、有效地使用CPU；存储管理主要处理内存分配与回收，避免内存碎片；文件管理则负责文件的创建、读写、删除等操作；设备管理关注的是硬件设备的分配和使用。 操作系统的基本类型有批处理、分时、实时。批处理系统适用于大规模数据处理，不支持用户直接交互；分时系统允许多个用户同时通过终端进行交互；实时系统强调快速响应和高可靠性，常见于工业控制、航空航天等领域。Unix操作系统以其交互性、及时性、多路性和独立性闻名，被广泛应用。 用户与操作系统交互主要通过三种方式：作业控制命令、图形用户界面（GUI）和系统调用。系统调用是用户程序请求操作系统服务的唯一合法途径，通过访管指令在核心态和用户态之间切换，修改程序状态字（PSW）实现。 多道程序设计引入操作系统中，带来了多方面的益处，包括提高CPU、内存和I/O设备的利用率，提升系统吞吐率，以及充分利用系统的并行性。但同时，多道程序可能导致作业周转时间的延长。 批处理、分时和实时系统在独立性、多路性、交互性和及时性上各有特点。批处理系统主要用于后台批量处理任务，不支持交互，适用于大数据处理；分时系统允许多个用户同时交互，适合办公、学习等场合；实时系统则适用于需要立即响应的环境，如航空航天、医疗设备等。 分布式操作系统是另一类重要的操作系统，它允许系统中的多台计算机协同工作，共同完成任务，增强了容错性和健壮性。 在操作系统中，进程是执行中的程序实例，具有动态性、独立性、异步性和并行性。它是分配系统资源的基本单位，而线程是CPU调度的基本单元。进程控制块（PCB）记录了进程的状态和属性，用于进程的管理和调度。原语是操作系统内核中不可中断的程序段，用于实现进程控制和其他系统功能，如创建、撤销、阻塞和唤醒原语。 进程并发性是多道程序设计的核心，但也带来了时间相关错误和资源竞争的问题。临界区是解决并发问题的关键，通过P、V操作（信号量机制）来实现进程间的同步与互斥，防止死锁的发生。死锁是多个进程因资源争夺而陷入僵局，预防和避免死锁通常通过破坏其四个必要条件：互斥、占有并等待、无剥夺和循环等待。 操作系统是复杂而关键的，它协调计算机硬件和软件，保障系统的正常运行，同时为用户提供方便、高效的使用体验。理解和掌握操作系统的基本原理和机制，对于计算机科学的学习和实践至关重要。