操作系统原理概览

操作系统是计算机系统的核心组成部分，它的主要任务是对计算机的硬件资源进行有效的管理和控制，为用户提供一个友好、便捷的交互环境。操作系统的发展历经了手工操作阶段、单道批处理系统、多道批处理系统、分时操作系统以及实时操作系统等多个阶段，每个阶段都有其特定的功能特性和应用场景。 1. 手工操作阶段：用户直接操作硬件，CPU利用率低，无自动化处理。 2. 单道批处理系统：作业批量提交，内存中仅有一道作业，提高了资源利用率，但无交互性。 3. 多道批处理系统：内存中同时有多个作业，进一步提升资源利用率和系统吞吐量，但用户响应时间较长。 4. 分时操作系统：通过时间片轮转实现多用户同时交互，提高了响应速度，满足了用户交互需求。 5. 实时操作系统：针对实时性要求高的任务，确保任务在规定时间内完成，强调及时性和可靠性。 操作系统的基本特征包括并发性、共享性、虚拟性和异步性： - 并发性：多个事件在时间上重叠，似乎同时发生。 - 共享性：系统资源可以被多个进程共享。 - 虚拟性：通过软件技术将物理资源虚拟化，提供给用户更多资源的感觉。 - 异步性：进程执行是非连续的，进程的执行顺序无法预测。 操作系统的主要功能包括处理机管理、存储器管理、文件管理和设备管理： - 处理机管理：进程调度、进程同步、进程通信等。 - 存储器管理：内存分配、回收、页面置换策略等。 - 文件管理：文件的创建、删除、读写、保护等。 - 设备管理：设备分配、设备驱动、I/O控制等。 操作系统为用户提供了两种接口：命令接口和程序接口。命令接口是用户通过键盘输入命令与系统交互，程序接口则是通过系统调用在编程中请求操作系统服务。 操作系统的体系结构涉及内核态与用户态的切换，中断、异常和系统调用是操作系统控制流程的关键机制。中断是硬件事件引发的，异常是CPU执行过程中发生的内部事件，系统调用是用户程序请求操作系统服务的正式途径。 按照功能，操作系统可以分为五个主要部分： 1. 进程管理：包括进程创建、撤销、状态转换、调度等。 2. 存储管理：内存分配、回收、地址映射等。 3. 设备管理：设备分配、驱动程序、I/O控制等。 4. 文件管理：文件的生命周期管理、权限控制等。 5. 网络与分布式系统管理：在多台计算机间协调资源和任务。 理解进程的概念和组织非常重要，进程是程序的一次执行实例，拥有自己的内存空间和状态，包括就绪态、运行态和阻塞态。进程的描述通常通过进程控制块（PCB）来完成，其中包含了进程的状态、资源分配情况、调度信息等。进程间的通信机制，如管道、消息队列、共享内存等，使得进程间能协作完成复杂任务。操作系统通过这些机制有效地管理和控制进程，确保系统的稳定运行和高效利用资源。