22 KiB
22 KiB
第00讲 操作系统概述
[!info] 课程信息 课程：操作系统（专业基础课，必修） 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 学时：4 学时（第1章 绪论） 先修课程：C语言、数据结构、计算机组成原理 考核方式：平时成绩 40% + 闭卷笔试 60% 课程目标：理解 OS 基本原理 → 掌握系统编程 → 培养系统级思维
一、操作系统的概念
1.1 什么是操作系统
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。
┌─────────────────────────────────────┐
│ 应用程序层 │ ← 用户直接使用
├─────────────────────────────────────┤
│ ★ 操作系统层 ★ │ ← 管理者与中介者
├─────────────────────────────────────┤
│ 硬件层 │ ← CPU、内存、设备
└─────────────────────────────────────┘
[!tip] 三种看待 OS 的视角
- 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
- 系统视角：OS 是一个"资源管理者"——分配 CPU、内存、I/O 设备等
- 软件视角：OS 是一个"运行平台"——提供系统调用和运行环境
1.2 操作系统的目标
| 目标 | 含义 | 典型手段 |
|---|---|---|
| 方便性 | 降低用户使用计算机的难度 | GUI、命令行、系统调用 |
| 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 |
| 可扩充性 | 便于扩充新功能 | 模块化、微内核架构 |
| 开放性 | 遵循标准，兼容互连 | POSIX 标准、ABI 兼容 |
1.3 操作系统的作用
作用一：用户与硬件之间的接口
用户 / 应用程序
│
│ 系统调用 (System Call)
│ 命令 (Shell)
│ GUI (图形界面)
▼
┌─────────────┐
│ 操作系统 │
└─────────────┘
作用二：计算机资源的管理者
OS 负责管理四大类资源：
- 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
- 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
- I/O 设备：管理外部设备的分配与回收 → 设备管理
- 文件（信息）：管理磁盘上的数据存储与访问 → 09_文件系统
作用三：扩充机器（虚拟机）
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。
二、操作系统的发展历程
[!note] 发展驱动力 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。
2.1 发展时间线
timeline
title 操作系统发展历程
1940s-1950s : 手工操作阶段
: 无操作系统
: 人工操作纸带/卡片
1950s中后期 : 单道批处理系统
: 监督程序出现
: 自动按批处理作业
1960s前期 : 多道批处理系统
: 多道程序并发执行
: 资源利用率大幅提升
1960s中后期 : 分时系统
: 人机交互成为可能
: CTSS, MULTICS, UNIX
1970s-1980s : 实时系统
: 实时控制/实时信息处理
: 响应时间有严格保证
1980s-1990s : 网络操作系统
: 网络资源共享
: C/S 模式
1990s-至今 : 分布式操作系统
: 多机协同, 透明性
: 云计算, 容器化
2.2 各阶段详解
（1）手工操作阶段（1940s-1950s）
- 特点：无操作系统，用户独占全机
- 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
- 问题：
- 用户独占资源，CPU 利用率极低
- 人工操作时间远大于计算时间
- 上机需要预约机时
（2）单道批处理系统（1950s中后期）
- 核心思想：引入监督程序（Monitor），自动依次处理一批作业
- 特征：作业成批输入，自动顺序执行，无交互能力
- 改进：减少了人工干预时间
- 不足：内存中始终只有一个程序运行，I/O 等待时 CPU 空闲
作业1 → [输入] → [计算] → [输出]
作业2 → [输入] → [计算] → [输出]
作业3 → ...
CPU: ████░░░░░░████████░░░░░░████████ ← CPU 仍大量空闲
[!warning] 单道批处理的瓶颈 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。
（3）多道批处理系统（1960s前期）
- 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
- 关键特征：
- 多道性：内存中有多道程序并发执行
- 宏观并行：多道程序同时在系统中运行
- 微观串行：任一时刻 CPU 只执行一道程序
[!important] 多道批处理的意义 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 和 11_处理机调度 的基础。
- 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
（4）分时系统（1960s中后期）
- 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
- 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
- 特征：
- 多路性：多个用户同时使用
- 独立性：各用户互不干扰
- 交互性：用户可实时与系统对话
- 及时性：响应时间通常在数秒内
[!example] 典型分时系统
- CTSS（1961，MIT）：最早的分时系统之一
- MULTICS（1964，MIT/Bell Labs/GE）：影响深远但过于复杂
- UNIX（1969，Ken Thompson & Dennis Ritchie）：从 MULTICS 理念简化而来，成为现代 OS 的基石
（5）实时系统（1970s-1980s）
- 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
- 两种类型：
| 类型 | 应用场景 | 示例 |
|---|---|---|
| 实时控制系统 | 工业过程控制、军事 | 飞行控制、导弹制导 |
| 实时信息处理 | 信息查询与处理 | 飞机订票系统、银行交易 |
- 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）
（6）网络操作系统（1980s-1990s）
- 目标：实现网络中各计算机之间的资源共享与通信
- 特征：基于 C/S 模式，提供文件共享、打印服务、网络通信等
- 典型系统：Novell NetWare、Windows NT Server
（7）分布式操作系统（1990s-至今）
- 目标：多台计算机协同工作，对外表现为一个统一的系统
- 关键特征：
- 分布性：多台自治计算机协作
- 透明性：用户感知不到资源的物理分布
- 共享性：资源全局共享
[!tip] 分布式系统的演进 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。
三、操作系统的基本功能
graph TB
subgraph OS["操作系统"]
PM["处理机管理
Process Management"]
SM["存储器管理
Memory Management"]
DM["设备管理
Device Management"]
FM["文件管理
File Management"]
UI["用户接口
User Interface"]
end
PM --> CPU["CPU 分配与回收"]
PM --> PROC["进程创建/撤销"]
PM --> SCHED["进程调度"]
PM --> SYNC["同步与通信"]
PM --> DEAD["死锁处理"]
SM --> ALLOC["内存分配与回收"]
SM --> PROTECT["内存保护"]
SM --> ADDR["地址映射"]
SM --> VMEM["虚拟内存"]
DM --> BUFFER["缓冲管理"]
DM --> DEV_ALLOC["设备分配与回收"]
DM --> DRIVER["设备驱动"]
FM --> DIR["目录管理"]
FM --> DISK["磁盘空间管理"]
FM --> RW["文件读写"]
UI --> CMD["命令接口"]
GUI --> GUI_INT["图形接口"]
UI --> SYSCALL["程序接口(系统调用)"]
style OS fill:#1a1a2e,stroke:#e94560,color:#fff
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
3.1 处理机管理（进程管理）
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。
主要任务：
- 进程控制：创建、撤销进程，控制进程状态转换 → 06_进程控制
- 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
- 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
- 死锁处理：预防、避免、检测和解除死锁 → 12_死锁
[!info] 进程 vs 程序
- 程序：静态的代码和数据（存储在磁盘上的文件）
- 进程：程序的一次执行过程，是动态的、有生命周期的
- 一个程序可以对应多个进程（例如多次打开同一个浏览器）
3.2 存储器管理
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。
| 功能 | 说明 |
|---|---|
| 内存分配与回收 | 按策略为进程分配内存，进程结束时回收 |
| 内存保护 | 确保每个进程只能访问自己的地址空间 |
| 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 |
| 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 |
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
3.3 设备管理
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。
- 缓冲管理：在 CPU 与 I/O 设备之间设置缓冲区，缓解速度差异
- 设备分配与回收：按策略为进程分配设备
- 设备驱动：控制设备硬件完成实际的输入输出操作
[!tip] I/O 控制方式的演进 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。
3.4 文件管理
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。
3.5 用户接口（用户与 OS 的通信手段）
| 接口类型 | 形式 | 说明 |
|---|---|---|
| 命令接口 | Shell 命令 | 用户在终端输入命令（如 ls, gcc） |
| 图形接口 | GUI 窗口操作 | 通过鼠标点击操作（如 Windows 桌面） |
| 程序接口 | 系统调用 (System Call) | 应用程序通过 API 请求 OS 服务 |
[!important] 系统调用 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。
四、操作系统的结构
[!note] 为什么要关注 OS 结构？ 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。
4.1 整体式结构（Monolithic Structure）
┌──────────────────────────────────┐
│ 用户程序 │
├──────────────────────────────────┤
│ │
│ 操作系统内核 │
│ ┌────┬────┬────┬────┬────┐ │
│ │进程│内存│设备│文件│调度│ │
│ │管理│管理│管理│管理│算法│ │
│ └────┴────┴────┴────┴────┘ │
│ 所有模块在同一层,任意调用 │
│ │
├──────────────────────────────────┤
│ 硬件 │
└──────────────────────────────────┘
- 特点：所有功能模块组织在一起，模块之间可以相互调用
- 优点：结构简单、效率高（模块间直接函数调用）
- 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
- 典型代表：早期 UNIX
4.2 层次式结构（Layered Structure）
┌─────────────────────┐
│ 第 N 层：用户接口 │
├─────────────────────┤
│ 第 N-1 层：文件管理 │
├─────────────────────┤
│ 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
- 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）
┌──────────────────────────────────────┐
│ 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 │
└──────────────────────────────────────┘
- 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：
- 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
- QNX：用于汽车电子、航空航天等安全关键领域
- Google Fuchsia：基于 Zircon 微内核
- 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）
┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐
│ 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 │
└───────────────────────┘
- 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
- 优点：
- 完全隔离，安全性最高
- 可以在同一硬件上运行不同 OS
- 便于系统迁移和测试
- 缺点：虚拟化带来性能损耗
- 典型代表：VMware、KVM、Xen、Hyper-V
[!tip] 容器化 vs 虚拟机
- 虚拟机：虚拟化整个硬件，每个 VM 运行完整的 OS
- 容器（Docker）：共享宿主 OS 内核，只隔离用户空间，更轻量
- 容器可以看作是操作系统层面虚拟化的产物
4.5 四种结构对比
| 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 |
五、操作系统的特征
[!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。
5.1 并发（Concurrence）
- 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）
[!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
5.2 共享（Sharing）
- 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）
并发和共享是 OS 的两个最基本的特征，它们互为存在条件。
5.3 虚拟（Virtual）
- 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
- 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
5.4 异步（Asynchronism）
- 进程的执行以不可预知的速度向前推进
- 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）
- OS 需要保证：只要运行环境相同，程序的最终结果一致
六、本讲小结
graph LR
A["操作系统概述"] --> B["概念"]
A --> C["发展历程"]
A --> D["基本功能"]
A --> E["系统结构"]
A --> F["基本特征"]
B --> B1["定义：系统软件"]
B --> B2["目标：方便·有效·可扩·开放"]
B --> B3["作用：接口·管理·扩充"]
C --> C1["手工 → 批处理"]
C --> C2["分时 → 实时"]
C --> C3["网络 → 分布式"]
D --> D1["处理机管理"]
D --> D2["存储器管理"]
D --> D3["设备管理"]
D --> D4["文件管理"]
D --> D5["用户接口"]
E --> E1["整体式 / 层次式"]
E --> E2["微内核 / 虚拟机"]
F --> F1["并发·共享·虚拟·异步"]
style A fill:#e94560,stroke:#333,color:#fff
style B fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
style C fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
style D fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
style E fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
style F fill:#0f3460,stroke:#333,color:#fff
七、相关笔记
| 主题 | 链接 |
|---|---|
| 系统运行机制（中断、MMU、系统调用） | 01_系统运行机制 |
| 进程控制（fork、exec、wait、signal） | 06_进程控制 |
| 进程间通信 | 08_进程间通信 |
| 处理机调度 | 11_处理机调度 |
| 死锁 | 12_死锁 |
| 存储管理基础 | 13_存储管理基础 |
| 分页存储管理 | 14_分页存储管理 |
| 段式存储管理 | 15_段式存储管理 |
| 虚拟存储器 | 16_虚拟存储器 |
| 磁盘空间管理 | 05_磁盘空间管理 |
| 文件系统 | 09_文件系统 |
| 课程总导航 | 00_课程导航 |