操作系统学习笔记

### 操作系统学习笔记知识点详解 #### 一、操作系统的基本概念与特征 1. **概念**： - **定义**：操作系统（Operating System, OS）是控制和管理计算机硬件与软件资源的核心系统软件，它合理地组织计算机工作流程，为用户提供便捷的操作界面。 2. **特征**： - **并发**：允许多个程序或任务在同一时间段内同时运行。 - **共享**：系统中的资源被多个程序或用户共享。主要包括： - **互斥共享**：一次仅允许一个程序访问某资源。 - **同时访问**：多个程序可以同时访问同一资源。 - **虚拟**：通过虚拟化技术，将一个物理实体转换为多个逻辑实体，例如： - **时分复用**：将时间划分为多个时间片，让多个用户轮流使用资源。 - **空分复用**：将物理空间划分为多个部分供不同用户使用。 - **异步**：在多任务环境下，由于资源有限，任务的执行并非一贯到底，而是以不可预测的速度间歇性推进。 3. **服务**： - **操作系统的主要功能**包括： - **处理机管理**：包括进程控制、同步、通信及调度等功能。 - **存储器管理**：负责内存分配、保护、地址映射以及内存扩展等。 - **设备管理**：涉及缓冲管理、设备分配及处理等。 - **文件管理**：包括文件存储空间管理、目录管理以及文件的读/写管理和保护。 - **用户接口**：为用户提供简单易用的操作界面，以及程序接口。 #### 二、操作系统的发展历程与分类 1. **发展阶段**： - **手工操作阶段**：无操作系统阶段，包括人工操作和脱机输入/输出方式。 - **批处理阶段**： - **单道批处理系统**：内存中仅保留一道作业，解决了人机矛盾及CPU与I/O设备速度不匹配的问题。 - **多道批处理系统**：允许多个程序进入内存并运行，提高了资源利用率和系统吞吐量，但平均周转时间较长且无交互能力。 - **分时系统**：允许多个用户通过终端共享一台计算机，系统能够及时响应用户的命令并返回结果。 - **实时系统**：能够及时响应外部事件请求并在规定时间内完成处理。 - **微机操作系统**：专为微型计算机设计的操作系统，包括网络操作系统和分布式操作系统等。 2. **分类**： - **批处理系统**：主要用于科学计算和数据处理。 - **分时系统**：强调多用户交互，适合教育和办公环境。 - **实时系统**：适用于控制系统和嵌入式系统。 - **网络操作系统**：支持多台计算机之间的通信和资源共享。 - **分布式操作系统**：实现多台计算机之间的协同工作，提供统一的服务。 #### 三、操作系统的运行环境 1. **操作系统运行环境**： - **计算机内核的四个主要内容**： - **时钟管理**：用于计时和调度。 - **中断机制**：处理各种硬件中断和异常情况。 - **原语**：不可分割的基本操作。 - **系统控制的数据结构及处理**：用于管理和控制操作系统内部的各种数据结构。 - **CPU状态**：操作系统运行过程中，处理器会处于不同的状态（模式），包括： - **内核态**：操作系统运行的模式，可以执行任何指令。 - **用户态**：用户程序运行的模式，只能执行非特权指令。 2. **中断/异常机制**： - **概念**：中断/异常是指处理器对系统中发生的某个事件作出的反应，这些事件可能改变处理器的控制流。 - **类型**： - **中断**：由外部设备触发，如I/O中断、时钟中断等。 - **异常**：由处理器执行指令时产生的异常情况，如系统调用、页错误等。 - **工作原理**： - **硬件层面**：捕获中断/异常请求，并将处理器控制权交给特定的处理程序。 - **软件层面**：识别中断/异常类型，并执行相应的处理程序。 操作系统作为计算机系统的核心组成部分，其设计和实现涉及众多复杂的概念和技术。通过对操作系统的学习，不仅能够深入理解计算机系统的工作原理，还能够掌握如何高效管理和利用计算机资源，从而更好地开发出高质量的应用程序和服务。