### 操作系统基础知识详解
#### 一、操作系统的目的与特性
**目的：**
- **提高资源利用率：** 通过合理分配和管理计算机系统的各种资源，如CPU、内存、磁盘等，来确保这些资源得到充分利用。
- **便利用户：** 提供用户友好的界面和工具，简化用户操作流程，使得非专业人员也能方便地使用计算机。
**特性：**
- **并发：** 指多个程序或任务在宏观上同时执行，但在微观上则是交替进行。
- **资源共享：** 允许多个程序访问同一资源，如打印机、磁盘空间等。
- **虚拟性：** 将一个物理实体转化为多个逻辑上的对应物，如虚拟内存、虚拟设备等。
- **异步性：** 不同任务或进程按照各自的速度执行，不受其他任务的影响。
#### 二、操作系统类型及其特点
1. **批处理系统**
- **优点：**
- **资源利用率高：** 可以连续处理多个作业，减少资源闲置时间。
- **系统吞吐量大：** 单位时间内可以处理更多的作业。
- **缺点：**
- **无交互能力：** 用户无法与正在执行的作业进行互动。
- **作业平均周转时间长：** 从提交作业到获得结果的时间较长。
2. **分时系统**
- **特征：**
- **多路性：** 多个用户可以通过各自的终端共享主机。
- **独立性：** 每个用户的工作彼此独立。
- **交互性：** 用户可以直接与系统进行交互。
- **及时性：** 系统能够快速响应用户的请求。
- **关键技术：** 时间片轮转调度算法，通过分配给每个进程一段固定时间来轮流执行。
3. **实时系统**
- **分类：**
- **实时信息处理系统：** 如民航售票系统。
- **实时控制系统：** 如导弹飞行控制系统。
- **特征：** 高度可靠性和安全性，但不强调资源利用率。
#### 三、操作系统的基本功能
1. **处理机管理：** 负责CPU的分配与调度。
2. **存储器管理：** 控制内存资源的分配与回收。
3. **设备管理：** 管理外部设备，如打印机、磁盘驱动器等。
4. **文件管理：** 提供文件的创建、删除、读写等功能。
5. **用户接口：** 提供图形用户界面(GUI)或命令行界面(CLI)，便于用户操作。
#### 四、进程与线程
1. **进程：**
- **定义：** 进程是程序的一次执行过程，包含进程控制块(PCB)、程序段和数据段。
- **特征：**
- **动态性：** 进程有创建、执行和消亡的生命期。
- **并发性：** 同一时间间隔内多个进程可能并发执行。
- **独立性：** 每个进程都有自己的地址空间。
- **异步性：** 进程的执行速度不可预知。
- **结构特征：** 包括程序状态、控制信息等。
- **状态转换：**
- **就绪状态：** 等待CPU调度。
- **执行状态：** 正在使用CPU。
- **阻塞状态：** 等待某些条件满足(如I/O完成)。
2. **线程：**
- **目的：** 减少并发执行的开销，提高程序执行的并发程度。
- **特点：** 线程基本不拥有资源，共享所属进程的资源。
- **调度对象：**
- **用户级线程：** OS调度对象为进程。
- **内核支持线程：** OS调度对象为线程。
#### 五、同步与互斥
1. **同步机制准则：**
- **空闲让进：** 如果资源空闲，则允许请求者使用。
- **忙则等待：** 如果资源已被占用，则请求者必须等待。
- **有限等待：** 请求者等待资源的时间有限。
- **让权等待：** 请求者等待时不会占用处理器。
2. **信号量机制：**
- **记录型信号量：**
- **S.value > 0：** 表示可用的临界资源数量。
- **wait()：** 申请一个临界资源，S.value减1。
- **signal()：** 释放一个临界资源，S.value加1，并唤醒等待队列中的进程。
3. **临界区：**
- **定义：** 进程中访问共享资源的代码段。
- **实现互斥：** 通过信号量或其他同步机制确保任何时刻只有一个进程访问临界资源。
#### 六、调度策略
1. **初级调度：**
- **定义：** 作业调度，从外存中选择作业进入内存。
- **作用：** 确定哪些作业可以运行。
2. **低级调度：**
- **定义：** 进程调度，从就绪队列中选择进程运行。
- **作用：** 确定哪个进程使用CPU。
3. **调度方法：**
- **抢占式调度：** 当一个更高优先级的进程出现时，可以打断正在运行的进程。
- **非抢占式调度：** 一旦进程开始运行，就会一直运行到结束或主动放弃CPU。
4. **抢占原则：**
- **时间片原则：** 按照固定时间片轮转。
- **短作业优先：** 优先级基于作业的执行时间。
- **优先权优先：** 优先级较高的作业优先执行。
5. **设计考虑因素：**
- **引起调度的原因：** 如时间片用完、I/O完成等。
- **调度算法的选择：** 如先来先服务(FIFO)、短作业优先(SJF)等。
- **就绪队列的组织：** 如单链表、优先级队列等。
操作系统作为计算机系统的核心部分，其设计与实现涉及到众多关键概念和技术。通过对这些概念和技术的深入理解，不仅可以帮助我们更好地使用操作系统，还能为进一步研究和开发先进的操作系统打下坚实的基础。
