操作系统原理概要：并发、共享与系统结构

操作系统是计算机系统的核心组成部分，它的主要目标包括方便性、有效性、可扩充性和开放性。方便性指的是用户可以轻松地与计算机交互，而有效性则关注如何高效利用系统资源。可扩充性意味着操作系统应能适应硬件和软件的扩展，而开放性确保了系统的兼容性和第三方软件的开发。 操作系统的发展经历了几个主要阶段。早期的计算机系统没有操作系统，一切操作都需要人工完成。随着技术进步，出现了脱机输入/输出方式，然后是单道批处理系统，虽然提高了资源利用率，但周转时间长且缺乏交互性。接着，多道批处理系统进一步优化了资源利用率和系统吞吐量，但依然不能满足实时交互的需求。分时系统随后诞生，实现了人机交互和资源共享，特点是多路性、独立性、及时性和交互性。实时系统进一步细分，硬实时对时间要求极其严格，如军事应用，而软实时则常见于多媒体、智能手机等领域。 操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。并发是指宏观上看多个任务同时进行，但实际上在单处理器系统中，它们是交替执行的。共享资源分为互斥共享和同时访问两种方式。虚拟技术如时分复用，使得单一物理资源可被多个逻辑用户共享。异步表示进程执行的非确定性，即进程执行速度不可预测。 操作系统的主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。处理机管理涉及进程控制（创建、撤销、状态转换）、进程同步和通信以及调度。存储器管理包括内存分配、回收、保护和地址映射。设备管理涵盖了缓冲、分配、处理和虚拟设备，旨在提高设备利用率和独立性。文件管理则涉及文件存储空间、目录、读写操作和保护机制。 操作系统的设计通常有几种结构，如无结构、模块化结构和分层结构。模块化结构强调模块间的独立性和内聚性，以提高系统的可理解和可维护性。分层结构将操作系统划分为若干层，每层依赖下一层，而微内核结构则将核心功能最小化，其余服务通过客户-服务器模型提供。 在并发执行中，进程是基本单位，包括程序、数据和进程控制块（PCB）。进程的特征有动态性（程序是静态的，但进程状态是变化的）、并发性（多个进程可以同时执行）和独立性（每个进程都有自己的地址空间）。前趋图用于描述进程间的执行关系，它不允许有循环，以防止死锁。 操作系统是协调计算机硬件和软件资源的复杂系统，它的发展和设计反映了计算机科学的进步，为用户提供高效、可靠的计算环境。理解操作系统的基本概念和功能对于学习和使用计算机至关重要。