1 操作系统概述

本系列文章力求用最简洁的语言整理出操作系统的知识框架，帮助求职的同学对操作系统的知识做一个梳理。

1. 操作系统的基本概念

操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源，合理组织调度计算机工作与资源分配，为用户及其他软件提供方便的接口和环境的程序集合。

操作系统是运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

2. 操作系统的目标与作用

可以从不同的观点来观察操作系统的作用。

从资源的管理角度出发，可将操作系统视为计算机系统软件与硬件资源的管理者；从用户角度出发，操作系统则是用户与计算机硬件系统间的接口。此外，操作系统还实现了对计算机资源的抽象，隐藏了硬件的操作细节。

2.1 操作系统作为计算机系统资源的管理者

• 处理机管理

在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位。因此，对处理机的管理可归结为对进程的管理。其主要的职责包括：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理以及处理机调度等。

• 存储器管理

存储器管理的目标是给多道程序提供良好的环境，方便用户使用以及提高内存的利用率。其主要职责包括内存分配、地址映射、内存扩充等。

• 文件管理

计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读/写管理和保护等。

• 设备管理

设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户对各种设备进行方便地使用，并提高各类设备的利用率。主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。

2.2 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

为方便用户使用计算机，操作系统提供了用户接口。

操行系统提供的接口分为两类：一类是命令接口，用户利用操作命令来组织和控制作业的执行；另一类是程序接口，编程人员可以利用这些接口来请求操作系统的服务。

2.3 操作系统实现了对计算机资源的抽象

没有任何软件支持的计算机称为裸机，它向用户提供实际的硬件接口，用户必须对各类物理接口有一定的了解，并利用机器指令进行编程才能使用，使用难度较大。

为了方便用户使用计算机硬件，人们在裸机上覆盖上操作系统，由操作系统提供资源管理功能和各种服务，将裸机改造成功能更强、 使用更方便的机器。操作系统对隐藏了对硬件操作的细节，实现了对计算机资源的抽象。

3. 操作系统的基本特征

操作系统的基本特征包括：并发、共享、虚拟和异步。其中，并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

3.1 并发

并发是指两个或者多个事件在同一时间间隔内发生。值得一提的是，并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生。在单处理机操作系统中，进程间只能并发，但设备与设备，设备与进程间是可以并发执行的。

通常，程序是静态实体。在多道程序系统中，引入进程的目的是为了使多个程序能够并发执行。进程由程序、数据和PCB构成，是一个能够独立运行的活动实体。同时，进程也是资源的基本分配单位，在没有引入线程的操作系统中，进程也是独立调度的基本单位。

线程比进程更小，基本不拥有资源。因此，对线程的切换开销比进程切换小得多，因而有效地提高了并发的程度。关于进程与线程间的讨论将在以后的章节进一步展开。

3.2 共享

共享（资源共享）是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。共享进一步可以分为互斥方式共享和同时访问共享。

• 互斥方式共享

系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。此类资源被称为临界资源或者独占资源。

• 同时访问共享

系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程在宏观上“同时”对它们进行访问。（而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即 “分时共享”）典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享，即若干个用户同时访问该文件。

3.3 虚拟

”虚拟“是指通过某种技术，把物理实体变为若干个逻辑上的对应物。用于实现虚拟的技术被称为虚拟技术。

在操作系统中利用两种方式实现虚拟技术：时分复用，空分复用。时分复用被用来实现虚拟处理机、虚拟设备等功能，空分复用的应用场景则为虚拟磁盘技术与虚拟存储器技术等。

3.4 异步

在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程只有在获得所需的资源后才能执行。因此，进程的执行不是一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程出现与时间交错有关的错误。但是，只要运行的环境相同，操作系统必须保证多次运行程序，获得的结果是相同的。