1. 操作系统概述

1 操作系统做了什么

关于操作系统在程序执行中的作用，我们以一个小例子作为引入。下面的代码是用C语言编写的Hello World程序：

#include <stdio.h>   
int main(int argc, char *argv[]) {
  puts("hello world"); 
  return 0;
}

这个程序执行的时候，操作系统做了哪些工作呢？

• 用户告知操作系统执行程序
• OS: 找到helloworld程序的相关信息，检查其是否为可执行文件。通过程序的首部信息，确定代码和数据在程序中的位置并且计算出对应的磁盘地址
• OS: 创建新的进程，将helloworld可执行文件映射到进程结构
• OS: 如果调度程序选中helloworld程序，则为程序设置CPU上下文环境，跳转到程序的开始处
• CPU执行helloworld第一条指令，发生缺页异常
• OS: 分配一页物理内存，将代码由磁盘读入内存，继续执行helloworld程序
• helloworld程序执行put函数， 在显示器上面显示字符串
• OS: 操作系统将字符串送给控制显示设备的进程，控制设备的进程告诉设备的窗口系统要显示字符串，窗口系统确定这个操作合法，将字符串转换为像素，将像素写入设备的存储映像区
• 显示器显示“hello world”

2 操作系统的定义以及作用

操作系统是计算机系统的一个系统软件，是一些程序模块的集合。这些程序模块能够以尽量有效，合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务。使得用户能够灵活，方便的使用计算机。使整个计算机系统高效率运行。

3 操作系统的三个作用

(1) OS是资源的管理者

资源包括硬件资源，软件资源。硬件资源包括：CPU，内存，设备（I/O设备，磁盘，时钟，网卡）。软件资源包括：磁盘上的文件，各类管理信息。

操作系统如何管理资源？

• 跟踪记录资源的使用状况
• 确定资源分配策略——算法
• 实施资源的分配和回收
• 提高资源利用率
• 保护资源的使用
• 协调多个进程对资源请求的冲突

总结下来，操作系统的5大基本功能：

• 进程/线程管理(CPU管理)： 进程线程状态、控制、同步互斥、通信、调度、......
• 存储管理： 分配/回收、地址转换、存储保护、内存扩充、......
• 文件管理： 文件目录、文件操作、磁盘空间、文件存取控制、......
• 设备管理： 设备驱动、分配回收、缓冲技术、......
• 用户接口： 系统命令，编程接口

(2) OS为用户提供各种服务

典型服务：进程的创建和执行，文件和目录的操作，I／O设备的使用......

(3) OS对硬件机器进行拓展

操作系统在应用程序与硬件之间建立了一个等价的扩展机器(虚拟机)。对硬件抽象，提高可移植性;比底层硬件更容易编程， 用户不用接触繁琐复杂的硬件相关工作。

4 操作系统特征

操作系统有四个特征：

• 并发
  OS可以处理多个同时性工作。并发会产生很多的问题：活动切换、保护、相互依赖的活动的同步。
  对于一个CPU，在任何时刻，CPU上只有一个程序在真正执行。
• 共享
  操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源(共享有限的系统资源)。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用，资源在一个时间段内交替被多个进程所用
• 虚拟
  一个物理实体可以映射为若干个对应的逻辑实体--分时或分空间。
• 随机
  操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应并处理。

5 典型操作系统架构

Windows

windows架构

Unix

Unix 架构

Linux

Linux架构