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# 第00讲 操作系统概述
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> [!info] 课程信息
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> **课程**：操作系统（专业基础课，必修）
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> **教材**：《计算机操作系统》（第4版），汤小丹 等，西安电子科技大学出版社
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> **学时**：4 学时（第1章 绪论）
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> **先修课程**：C语言、数据结构、计算机组成原理
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> **考核方式**：平时成绩 40% + 闭卷笔试 60%
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> **课程目标**：理解 OS 基本原理 → 掌握系统编程 → 培养系统级思维
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## 一、操作系统的概念
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### 1.1 什么是操作系统
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操作系统（Operating System, OS）是**管理计算机硬件与软件资源的系统软件**，是用户与计算机硬件之间的接口。
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┌─────────────────────────────────────┐
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│ 应用程序层 │ ← 用户直接使用
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├─────────────────────────────────────┤
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│ ★ 操作系统层 ★ │ ← 管理者与中介者
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├─────────────────────────────────────┤
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│ 硬件层 │ ← CPU、内存、设备
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└─────────────────────────────────────┘
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```
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> [!tip] 三种看待 OS 的视角
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> - **用户视角**：OS 是一台"虚拟机"——隐藏硬件复杂性，提供易用的接口
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> - **系统视角**：OS 是一个"资源管理者"——分配 CPU、内存、I/O 设备等
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> - **软件视角**：OS 是一个"运行平台"——提供系统调用和运行环境
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### 1.2 操作系统的目标
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| 目标 | 含义 | 典型手段 |
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|------|------|----------|
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| **方便性** | 降低用户使用计算机的难度 | GUI、命令行、系统调用 |
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| **有效性** | 提高系统资源的利用率 | 调度算法、虚拟内存、缓冲技术 |
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| **可扩充性** | 便于扩充新功能 | 模块化、微内核架构 |
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| **开放性** | 遵循标准，兼容互连 | POSIX 标准、ABI 兼容 |
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### 1.3 操作系统的作用
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**作用一：用户与硬件之间的接口**
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```
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用户 / 应用程序
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│
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│ 系统调用 (System Call)
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│ 命令 (Shell)
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│ GUI (图形界面)
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▼
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┌─────────────┐
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│ 操作系统 │
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└─────────────┘
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```
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**作用二：计算机资源的管理者**
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OS 负责管理四大类资源：
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- **处理机（CPU）**：决定哪个进程使用 CPU、使用多长时间 → [[11_处理机调度]]
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- **存储器（内存）**：为程序分配和回收内存空间 → [[13_存储管理基础]]、[[14_分页存储管理]]
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- **I/O 设备**：管理外部设备的分配与回收 → 设备管理
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- **文件（信息）**：管理磁盘上的数据存储与访问 → [[09_文件系统]]
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**作用三：扩充机器（虚拟机）**
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OS 在裸机之上叠加多层软件，将物理资源转化为功能更强、使用更方便的逻辑资源。
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## 二、操作系统的发展历程
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> [!note] 发展驱动力
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> OS 的每一次变革，根本动力都是**提高资源利用率**和**方便用户使用**。
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### 2.1 发展时间线
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```mermaid
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timeline
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title 操作系统发展历程
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1940s-1950s : 手工操作阶段
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: 无操作系统
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: 人工操作纸带/卡片
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1950s中后期 : 单道批处理系统
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: 监督程序出现
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: 自动按批处理作业
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1960s前期 : 多道批处理系统
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: 多道程序并发执行
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: 资源利用率大幅提升
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1960s中后期 : 分时系统
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: 人机交互成为可能
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: CTSS, MULTICS, UNIX
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1970s-1980s : 实时系统
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: 实时控制/实时信息处理
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: 响应时间有严格保证
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1980s-1990s : 网络操作系统
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: 网络资源共享
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: C/S 模式
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1990s-至今 : 分布式操作系统
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: 多机协同, 透明性
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: 云计算, 容器化
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### 2.2 各阶段详解
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#### （1）手工操作阶段（1940s-1950s）
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- **特点**：无操作系统，用户独占全机
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- **工作方式**：程序员通过纸带/卡片将程序输入计算机，手工控制运行
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- **问题**：
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- 用户独占资源，CPU 利用率极低
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- 人工操作时间远大于计算时间
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- 上机需要预约机时
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#### （2）单道批处理系统（1950s中后期）
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- **核心思想**：引入**监督程序（Monitor）**，自动依次处理一批作业
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- **特征**：作业成批输入，自动顺序执行，无交互能力
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- **改进**：减少了人工干预时间
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- **不足**：内存中始终只有一个程序运行，I/O 等待时 CPU 空闲
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```
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作业1 → [输入] → [计算] → [输出]
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作业2 → [输入] → [计算] → [输出]
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作业3 → ...
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CPU: ████░░░░░░████████░░░░░░████████ ← CPU 仍大量空闲
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```
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> [!warning] 单道批处理的瓶颈
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> 当某作业进行 I/O 操作时，CPU 处于空闲等待状态，系统资源利用率仍然不高。
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#### （3）多道批处理系统（1960s前期）
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- **核心思想**：内存中同时存放多道程序，利用 CPU 空闲时间切换到其他程序运行
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- **关键特征**：
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- **多道性**：内存中有多道程序并发执行
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- **宏观并行**：多道程序同时在系统中运行
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- **微观串行**：任一时刻 CPU 只执行一道程序
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> [!important] 多道批处理的意义
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||
> 多道程序设计技术是 OS 发展史上的**里程碑**。它引入了程序并发执行的概念，极大地提高了 CPU 和资源利用率。这也是后续 [[06_进程控制|进程管理]] 和 [[11_处理机调度|调度算法]] 的基础。
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- **缺点**：无交互能力（用户提交作业后无法干预）、平均周转时间长
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#### （4）分时系统（1960s中后期）
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- **核心思想**：多个用户通过终端同时使用一台计算机，每人获得"独占"的错觉
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- **关键技术**：**时间片轮转** —— 每个用户/程序轮流使用一小段 CPU 时间
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- **特征**：
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- **多路性**：多个用户同时使用
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- **独立性**：各用户互不干扰
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- **交互性**：用户可实时与系统对话
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- **及时性**：响应时间通常在数秒内
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> [!example] 典型分时系统
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> - **CTSS**（1961，MIT）：最早的分时系统之一
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> - **MULTICS**（1964，MIT/Bell Labs/GE）：影响深远但过于复杂
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> - **UNIX**（1969，Ken Thompson & Dennis Ritchie）：从 MULTICS 理念简化而来，成为现代 OS 的基石
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#### （5）实时系统（1970s-1980s）
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- **定义**：系统能**及时响应外部事件请求**，在规定时间内完成处理
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- **两种类型**：
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| 类型 | 应用场景 | 示例 |
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|------|----------|------|
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| 实时控制系统 | 工业过程控制、军事 | 飞行控制、导弹制导 |
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| 实时信息处理 | 信息查询与处理 | 飞机订票系统、银行交易 |
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- **与分时系统的区别**：实时系统强调**确定性**（硬实时）或**高概率满足时限**（软实时）
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#### （6）网络操作系统（1980s-1990s）
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- **目标**：实现网络中各计算机之间的资源共享与通信
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- **特征**：基于 C/S 模式，提供文件共享、打印服务、网络通信等
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- **典型系统**：Novell NetWare、Windows NT Server
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#### （7）分布式操作系统（1990s-至今）
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- **目标**：多台计算机协同工作，对外表现为一个统一的系统
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- **关键特征**：
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- **分布性**：多台自治计算机协作
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- **透明性**：用户感知不到资源的物理分布
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- **共享性**：资源全局共享
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> [!tip] 分布式系统的演进
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> 从集群计算 → 网格计算 → **云计算**（IaaS/PaaS/SaaS）→ 容器编排（Kubernetes），分布式系统的理念在不断深化。现代云计算本质上是分布式操作系统的延伸。
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## 三、操作系统的基本功能
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```mermaid
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graph TB
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subgraph OS["操作系统"]
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PM["处理机管理
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Process Management"]
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SM["存储器管理
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Memory Management"]
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DM["设备管理
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Device Management"]
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||
FM["文件管理
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File Management"]
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UI["用户接口
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||
User Interface"]
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||
end
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PM --> CPU["CPU 分配与回收"]
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PM --> PROC["进程创建/撤销"]
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PM --> SCHED["进程调度"]
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PM --> SYNC["同步与通信"]
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PM --> DEAD["死锁处理"]
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SM --> ALLOC["内存分配与回收"]
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SM --> PROTECT["内存保护"]
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||
SM --> ADDR["地址映射"]
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SM --> VMEM["虚拟内存"]
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DM --> BUFFER["缓冲管理"]
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DM --> DEV_ALLOC["设备分配与回收"]
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||
DM --> DRIVER["设备驱动"]
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FM --> DIR["目录管理"]
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FM --> DISK["磁盘空间管理"]
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FM --> RW["文件读写"]
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UI --> CMD["命令接口"]
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||
GUI --> GUI_INT["图形接口"]
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UI --> SYSCALL["程序接口(系统调用)"]
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style OS fill:#1a1a2e,stroke:#e94560,color:#fff
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||
style PM fill:#16213e,stroke:#0f3460,color:#fff
|
||
style SM fill:#16213e,stroke:#0f3460,color:#fff
|
||
style DM fill:#16213e,stroke:#0f3460,color:#fff
|
||
style FM fill:#16213e,stroke:#0f3460,color:#fff
|
||
style UI fill:#16213e,stroke:#0f3460,color:#fff
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```
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### 3.1 处理机管理（进程管理）
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处理机管理是 OS 的核心功能，负责对 **CPU 资源** 进行管理和调度。
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主要任务：
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1. **进程控制**：创建、撤销进程，控制进程状态转换 → [[06_进程控制]]
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2. **进程调度**：按照一定策略从就绪队列中选择进程投入运行 → [[11_处理机调度]]
|
||
3. **进程同步与通信**：协调并发进程之间的关系，解决竞争与协作问题 → [[08_进程间通信]]
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4. **死锁处理**：预防、避免、检测和解除死锁 → [[12_死锁]]
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> [!info] 进程 vs 程序
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> - **程序**：静态的代码和数据（存储在磁盘上的文件）
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> - **进程**：程序的一次执行过程，是动态的、有生命周期的
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> - 一个程序可以对应多个进程（例如多次打开同一个浏览器）
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### 3.2 存储器管理
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存储器管理负责为程序分配内存空间，并确保各程序互不干扰。
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| 功能 | 说明 |
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|------|------|
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| **内存分配与回收** | 按策略为进程分配内存，进程结束时回收 |
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| **内存保护** | 确保每个进程只能访问自己的地址空间 |
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| **地址映射** | 将逻辑地址转换为物理地址（需要 [[01_系统运行机制|MMU]] 的支持） |
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||
| **虚拟内存** | 利用磁盘扩充内存容量，使程序不受物理内存限制 |
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||
相关笔记：[[13_存储管理基础]] → [[14_分页存储管理]] → [[15_段式存储管理]] → [[16_虚拟存储器]]
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### 3.3 设备管理
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设备管理负责管理各类 I/O 设备，完成用户提出的 I/O 请求。
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- **缓冲管理**：在 CPU 与 I/O 设备之间设置缓冲区，缓解速度差异
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- **设备分配与回收**：按策略为进程分配设备
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- **设备驱动**：控制设备硬件完成实际的输入输出操作
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||
> [!tip] I/O 控制方式的演进
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> 程序直接控制 → 中断驱动 → DMA → 通道。每种方式在 CPU 参与度和效率上逐步优化。详见 [[01_系统运行机制]] 中的中断机制。
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### 3.4 文件管理
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文件管理负责管理外存上的文件，为用户提供"按名存取"的能力。
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- **文件存储空间管理**：管理磁盘空间的分配与回收 → [[05_磁盘空间管理]]
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- **目录管理**：通过目录结构组织文件，支持文件的按名查找
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||
- **文件读写与保护**：控制文件的读、写、执行权限 → [[09_文件系统]]
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### 3.5 用户接口（用户与 OS 的通信手段）
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| 接口类型 | 形式 | 说明 |
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|----------|------|------|
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| **命令接口** | Shell 命令 | 用户在终端输入命令（如 `ls`, `gcc`） |
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| **图形接口** | GUI 窗口操作 | 通过鼠标点击操作（如 Windows 桌面） |
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| **程序接口** | 系统调用 (System Call) | 应用程序通过 API 请求 OS 服务 |
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||
> [!important] 系统调用
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||
> 系统调用是应用程序与操作系统之间的**唯一合法入口**。当程序需要访问硬件资源（如读文件、分配内存、创建进程）时，必须通过系统调用陷入内核态执行。这是 [[01_系统运行机制]] 的核心内容。
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## 四、操作系统的结构
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> [!note] 为什么要关注 OS 结构？
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> 操作系统是一个极其复杂的大型软件。良好的结构设计能够提高系统的**可靠性、可维护性和可扩展性**。
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### 4.1 整体式结构（Monolithic Structure）
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```
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┌──────────────────────────────────┐
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│ 用户程序 │
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├──────────────────────────────────┤
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│ │
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||
│ 操作系统内核 │
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||
│ ┌────┬────┬────┬────┬────┐ │
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||
│ │进程│内存│设备│文件│调度│ │
|
||
│ │管理│管理│管理│管理│算法│ │
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||
│ └────┴────┴────┴────┴────┘ │
|
||
│ 所有模块在同一层,任意调用 │
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||
│ │
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├──────────────────────────────────┤
|
||
│ 硬件 │
|
||
└──────────────────────────────────┘
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||
```
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- **特点**：所有功能模块组织在一起，模块之间可以相互调用
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- **优点**：结构简单、效率高（模块间直接函数调用）
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- **缺点**：模块间耦合度高，一处错误可能导致整个系统崩溃；难以调试和维护
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||
- **典型代表**：早期 UNIX
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||
### 4.2 层次式结构（Layered Structure）
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```
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┌─────────────────────┐
|
||
│ 第 N 层：用户接口 │
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├─────────────────────┤
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||
│ 第 N-1 层：文件管理 │
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├─────────────────────┤
|
||
│ 第 N-2 层：设备管理 │
|
||
├─────────────────────┤
|
||
│ 第 N-3 层：内存管理 │
|
||
├─────────────────────┤
|
||
│ 第 N-4 层：进程管理 │
|
||
├─────────────────────┤
|
||
│ 第 0 层：硬件抽象 │
|
||
└─────────────────────┘
|
||
每一层只调用下一层的服务
|
||
```
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||
- **特点**：将 OS 划分为若干层，每层只能调用紧邻的下层
|
||
- **优点**：结构清晰、便于调试（逐层验证）、错误隔离
|
||
- **缺点**：层间调用带来性能开销；层次划分困难
|
||
- **典型代表**：THE 系统（Dijkstra, 1968）、Windows NT 内核
|
||
|
||
### 4.3 微内核结构（Microkernel）
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||
```
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┌──────────────────────────────────────┐
|
||
│ 用户态 │
|
||
│ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │
|
||
│ │文件 │ │网络 │ │设备 │ │用户 │ │
|
||
│ │服务 │ │服务 │ │驱动 │ │应用 │ │
|
||
│ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ │
|
||
│ │ │ │ │ │
|
||
│ ┌──┴────────┴────────┴────────┴──┐ │
|
||
│ │ 消息传递 (IPC) │ │
|
||
│ └──────────────┬─────────────────┘ │
|
||
├─────────────────┼────────────────────┤
|
||
│ 内核态 │ │
|
||
│ ┌──────────────┴────────────────┐ │
|
||
│ │ 微内核 │ │
|
||
│ │ · 进程调度 │ │
|
||
│ │ · 内存管理（基本） │ │
|
||
│ │ · 进程间通信 (IPC) │ │
|
||
│ └───────────────────────────────┘ │
|
||
├──────────────────────────────────────┤
|
||
│ 硬件 │
|
||
└──────────────────────────────────────┘
|
||
```
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||
|
||
- **核心思想**：将 OS 核心功能精简到最小（微内核），其余功能以**用户态服务进程**运行
|
||
- **优点**：
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||
- 内核小而稳定，可靠性高
|
||
- 服务进程崩溃不影响内核
|
||
- 易于扩展新服务
|
||
- **缺点**：用户态与内核态之间的消息传递带来性能开销
|
||
- **典型代表**：Mach、QNX、MINIX、L4、Windows NT（混合结构）
|
||
|
||
> [!example] 现实中的微内核
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||
> - **QNX**：用于汽车电子、航空航天等安全关键领域
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||
> - **Google Fuchsia**：基于 Zircon 微内核
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||
> - **鸿蒙 OS**：采用微内核架构，用于 IoT 和移动设备
|
||
|
||
### 4.4 虚拟机结构（Virtual Machine）
|
||
|
||
```
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||
┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐
|
||
│ VM 1 │ │ VM 2 │ │ VM 3 │ ← 各 VM 运行独立的 OS
|
||
│Linux │ │Win │ │macOS │
|
||
├──────┤ ├──────┤ ├──────┤
|
||
│Guest │ │Guest │ │Guest │ ← 客户机 OS
|
||
│ OS │ │ OS │ │ OS │
|
||
└──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘
|
||
│ │ │
|
||
┌──┴────────┴────────┴──┐
|
||
│ 虚拟机监控器 (VMM/Hypervisor) │ ← 硬件虚拟化
|
||
├───────────────────────┤
|
||
│ 硬件 │
|
||
└───────────────────────┘
|
||
```
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|
||
- **核心思想**：在硬件之上运行**虚拟机监控器（VMM/Hypervisor）**，将物理机器虚拟为多台逻辑机器
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||
- **优点**：
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||
- 完全隔离，安全性最高
|
||
- 可以在同一硬件上运行不同 OS
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||
- 便于系统迁移和测试
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- **缺点**：虚拟化带来性能损耗
|
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- **典型代表**：VMware、KVM、Xen、Hyper-V
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||
> [!tip] 容器化 vs 虚拟机
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||
> - **虚拟机**：虚拟化整个硬件，每个 VM 运行完整的 OS
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> - **容器**（Docker）：共享宿主 OS 内核，只隔离用户空间，更轻量
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||
> - 容器可以看作是操作系统层面虚拟化的产物
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||
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||
### 4.5 四种结构对比
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||
|
||
| 结构 | 耦合度 | 性能 | 可靠性 | 可扩展性 | 代表 |
|
||
|------|--------|------|--------|----------|------|
|
||
| 整体式 | 高 | 高 | 低 | 差 | 早期 UNIX |
|
||
| 层次式 | 中 | 中 | 中 | 中 | THE, Windows NT |
|
||
| 微内核 | 低 | 较低 | 高 | 好 | QNX, L4, Mach |
|
||
| 虚拟机 | 最低 | 较低 | 最高 | 最好 | VMware, KVM |
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||
## 五、操作系统的特征
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||
|
||
> [!important] 四大基本特征
|
||
> 理解这四个特征是学习后续所有章节的前提。
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||
### 5.1 并发（Concurrence）
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||
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||
- **并发**：多个事件在同一时间间隔内发生（宏观同时，微观交替）
|
||
- **并行**（Parallelism）：多个事件在同一时刻同时发生（需要多核/多处理器）
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||
> [!tip] 并发 vs 并行
|
||
> - 单核 CPU：只能实现**并发**（通过时间片轮转）
|
||
> - 多核 CPU：可以实现**并行**（每个核心执行一个进程）
|
||
> - 并发是 OS 最基本、最重要的特征
|
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||
### 5.2 共享（Sharing）
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||
|
||
- **互斥共享**：资源一次只允许一个进程使用（如打印机）
|
||
- **同时共享**：资源可被多个进程同时访问（如磁盘文件、只读代码段）
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||
并发和共享是 OS 的两个最基本的特征，它们**互为存在条件**。
|
||
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||
### 5.3 虚拟（Virtual）
|
||
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||
- 通过某种技术将一个物理实体变为多个逻辑实体
|
||
- **CPU 虚拟化**：时分复用 → 每个进程感觉自己独占 CPU
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- **内存虚拟化**：空分复用 → 虚拟内存技术让程序使用比实际更大的地址空间
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||
### 5.4 异步（Asynchronism）
|
||
|
||
- 进程的执行以**不可预知的速度**向前推进
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- 同一程序、同一数据，多次运行的结果可能不同（取决于调度和资源竞争）
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- OS 需要保证：只要运行环境相同，程序的**最终结果**一致
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## 六、本讲小结
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```mermaid
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graph LR
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A["操作系统概述"] --> B["概念"]
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A --> C["发展历程"]
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A --> D["基本功能"]
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A --> E["系统结构"]
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A --> F["基本特征"]
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B --> B1["定义：系统软件"]
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B --> B2["目标：方便·有效·可扩·开放"]
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B --> B3["作用：接口·管理·扩充"]
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C --> C1["手工 → 批处理"]
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C --> C2["分时 → 实时"]
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C --> C3["网络 → 分布式"]
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D --> D1["处理机管理"]
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D --> D2["存储器管理"]
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D --> D3["设备管理"]
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D --> D4["文件管理"]
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D --> D5["用户接口"]
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E --> E1["整体式 / 层次式"]
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E --> E2["微内核 / 虚拟机"]
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F --> F1["并发·共享·虚拟·异步"]
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style B fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
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style C fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
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style D fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
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style E fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
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style F fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
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## 七、相关笔记
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| 主题 | 链接 |
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| 系统运行机制（中断、MMU、系统调用） | [[01_系统运行机制]] |
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| 进程控制（fork、exec、wait、signal） | [[06_进程控制]] |
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| 进程间通信 | [[08_进程间通信]] |
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| 处理机调度 | [[11_处理机调度]] |
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| 死锁 | [[12_死锁]] |
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| 存储管理基础 | [[13_存储管理基础]] |
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| 分页存储管理 | [[14_分页存储管理]] |
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| 段式存储管理 | [[15_段式存储管理]] |
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||
| 虚拟存储器 | [[16_虚拟存储器]] |
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||
| 磁盘空间管理 | [[05_磁盘空间管理]] |
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||
| 文件系统 | [[09_文件系统]] |
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| 课程总导航 | [[00_课程导航]] |
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