本系列博客重点在深圳大学操作系统课程的核心内容梳理，参考书目《计算机操作系统》（有问题欢迎在评论区讨论指出，或直接私信联系我）。
梗概
本篇博客主要介绍操作系统第一章操作系统引论的相关知识。
目录
一、操作系统概述
操作系统不直接解决最终具体应用问题，也不负责编译源程序...
操作系统为你完成所有“硬件相关、应用无关” 的工作，以给你方便、效率、安全
- 定义
操作系统是一组有效控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合。
二、操作系统的目标与作用
目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：
1. 方便性
2. 有效性
3. 可扩充性
4. 开放性
而对于操作系统的作用，不同的角度出发有不同的观点。
1、从计算机系统组成观点――操作系统是系统软件
计算机系统组成：
- 软件：应用软件、系统软件（操作系统、语言处理系统和常用的例行服务程序）
- 硬件：输入／输出（I／O）设备、存储器(内存) 、中央处理器(CPU)
2、从资源管理程序观点――操作系统是系统资源（处理器、存储器、 I/O设备以及信息(数据和程序)四类）管理者
3、从软件分层、扩充机器的观点――操作系统是扩充裸机的第一层系统软件（虚拟机）
4、从服务用户的观点―― 操作系统是用户与裸机之间接口
操作系统的发展动力主要是：
1.不断提高计算机资源利用率 2. 方便用户 3. 器件的不断更新换代 4. 计算机体系结构的不断发展
三、操作系统发展历程
操作系统发展历程主要是：1、人工操作方式 2、脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式（单道批处理->多道批处理->分时系统->实时系统）
单道批处理是内存中仅有一道作业，多道批处理为了提高资源利用率和系统吞吐量多作业并行，为了满足用户需求分时系统（多用户、多任务）出现了，主要需求是(1) 人—机交互、(2) 共享主机、(3) 便于用户上机。其中，最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互。
分时系统的重要指标是响应时间，用户发生终端命令到系统开始作出响应间的时间间隔。假设分时系统中用户数为n，每个用户的运行时间片为q，则系统的响应时间为T＝n×q。每个用户分到的时间片q由二部分组成，用于对换时间S和用于真正处理时间T（处理）。
T ＝ n × q
q ＝ S + T（处理）
分时系统中时间片q的选择是一个复杂和关键的任务。
- 如时间片选得过大，造成响应时间不变时用户数减少，或造成响应时间过长
- 当时间片过小时，在一个时间片内切换开销相对增加，一个进程相对要花费更多的时间片才能运行结束，一个进程在系统中的周转时间大大增长
- 最佳的时间片值应既能使分时用户得到好的响应时间，同时又要使在一个时间片内切换开销相对较小可忽略。
总的来说，分时系统特点如下：
- 交互性：用户与系统进行人机对话。
- 多路性：多用户同时在各自终端上使用同一CPU。
- 独立性：用户可彼此独立操作，互不干扰，互不混淆。
- 及时性：用户在短时间内可得到系统的及时回答。
而对于实时系统，所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real-Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
对于实时任务，一般都联系着截止时间：
① 开始截止时间——任务在某时间以前必须开始执行；
② 完成截止时间——任务在某时间以前必须完成。
根据截止时间划分任务，则有：
(1) 硬实时任务(hard real-time task)。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
(2) 软实时任务(Soft real-time task)。它也联系着一个截止时间， 但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间， 对系统产生的影响也不会太大。
四、操作系统基本特征
1、并发：
并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
Tips：并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生
单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。多CPU系统可以并行
2、共享：
在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。一般有（1）互斥共享（打印机、磁带机）、（2）同时访问（磁盘） 两种。
3、虚拟：
操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物（虚拟CPU、虚拟内存、虚拟外部设备等）。
比如虚拟处理机，通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。虽然只有一台处理机，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个CPU在专门为他服务。即把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU
4、异步性：
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行， 但只有进程在获得所需的资源后方能执行。由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。
五、操作系统主要功能
1、处理机管理功能：
- 进程控制：进程创建、资源分配与管理、状态转换、撤销
- 进程同步：使多进程有条不紊按一定顺序运行（通过互斥与同步机制）
- 进程通信：多进程间交换信息（直接通信或间接通信）
- 进程调度：如何从队列中选择执行进程
2、存储器管理功能：
- 内存分配：静态与动态内存分配（空间是否确定、不可变）
- 内存保护：保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰
- 地址映射：将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址
- 内存扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多； 或者是让更多的用户程序能并发运行（请求调入、置换）
3、设备管理功能：
- 缓冲管理：设置缓冲区（单、双），缓解设备与CPU的矛盾
- 设备分配：根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备
- 设备处理：用于实现CPU和设备控制器之间的通信
4、文件管理功能：
- 文件存储空间管理：文件系统为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度
- 目录管理：为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取
- 文件的读/写管理和保护：顾名思义
5、用户接口：
- 命令接口：（1）联机用户接口：用户可通过先后键入不同命令的方式，来实现对作业的控制（2）脱机用户接口：委托系统代替用户对作业进行控制和干预
- 程序接口：用户程序取得操作系统服务的惟一途径，主要使用系统调用
- 图形接口：可用鼠标或通过菜单和对话框，来完成对应用程序和文件的操作
六、操作系统的结构设计
1. 软件的含义
所谓软件，是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序能够正确地处理信息的数据结构；作为规范软件，还应具有描述程序功能需求以及程序如何操作使用的文档。如果说，硬件是物理部件， 那么，软件则是一种逻辑部件，它具有与硬件完全不同的特点。
2. 软件工程的含义
软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件；或者说，是采用工程的概念、 原理、 技术和方法，来开发与维护软件， 其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。
对于操作系统的结构，传统OS主要是一到三代（为了控制该软件的复杂性，在开发OS时，先后引入了分解、模块化、 抽象和隐蔽等方法），而把微内核的OS结构称为现代OS结构。
1、无结构操作系统：
OS是为数众多的一组过程的集合，各过程之间可以相互调用，在操作系统内部不存在任何结构
2、模块化OS结构：
基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。为使OS具有较清晰的结构，OS不再是由众多的过程直接构成，而是将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。
- 缺点：首先，在开始设计OS时，对模块的划分及对接口的规定并不精确， 而且还可能存在错误，因而很难保证按此规定所设计出的模块会完全正确， 这将使在把这些模块装配成OS时发生困难；其次，从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别； 由于管理上的差异，又会使模块间存在着复杂的依赖关系使OS结构变得不清晰。
3、层次（layered）结构法：
将模块间无序调用变为有序调用，它把OS的所有功能模块，按功能流图的调用次序，排列成若干层，各层之间的模块只能是单向调用关系，即是只允许上层模块调用相邻下层模块。
4、微内核技术OS：
所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核。它与一般的OS(程序)不同， 它更小更精炼，它不仅运行在核心态，而且开机后常驻内存， 它不会因内存紧张而被换出内存。
微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、 低级I/O功能。
七、一些例题
选1.在设计分时操作系统时，首先要考虑的是﹎﹎A﹎﹎；在设计实时操作系统时，首先要考虑的是﹎﹎B﹎﹎；在设计批处理系统时，首先要考虑的是﹎﹎C﹎﹎。
A、B、C：(1)灵活性和可适应性；(2)交互性和响应时间；(3)周转时间和系统吞吐量；(4)实时性和可靠性。
A：（2）B：（4）C：（3）
选2.为了提高计算机的处理机和外部设备的利用率，把多个程序同时放入主存储器，在宏观上并行运行是﹎﹎A﹎﹎；把一个程序划分成若干个同时执行的程序模块的设计方法是﹎﹎B﹎﹎；多个用户在终端设备上的交互方式输入、排错和控制其程序的运行是﹎﹎C﹎﹎；由多个计算机组成的一个系统，这些计算机之间可以通信来交换信息，互相之间无主次之分，它们共享系统资源，程序由系统中的全部或部分计算机协同执行，管理上述计算机系统的操作系统是﹎﹎D﹎﹎；有一类操作系统的系统响应时间的重要性超过系统资源的利用率，它被广泛地应用于卫星控制、导弹发射、飞机飞行控制、飞机订票业务等领域是﹎﹎E﹎﹎。 A--E: ① 分时OS ② 实时OS ③ 批处理系统 ④ 网络OS ⑤ 分布式OS ⑥ 单用户OS ⑦ 多重程序设计 ⑧ 多道程序设计 ⑨ 并发程序设计
A：⑧ B：⑦ C：① D：④ E：②
首先，多道程序设计是为了提高CPU利用率充分发挥计算机各部件的并行性，第A空填8；B空的主要题眼在同时执行，和前面提到的宏观上并行不同，这是实实在在的利用多处理机实现了程序的并行执行，应该选7；C主要体现了分时操作系统的交互性，选1；D主要考察分布式OS和网络OS，这两个操作系统的主要区别是计算机之间是否有主次之分，选4；E体现了实时操作系统的及时性，故选2