01. 基本概念、特征、功能

操作系统的基本概念

什么是操作系统？

操作系统（Operating System，OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的系统软件，为用户和应用程序提供接口和服务。它是计算机系统中最重要的系统软件，是用户与计算机硬件之间的桥梁。

操作系统的定义

操作系统可以定义为：

• 资源管理器：管理 CPU、内存、外设等硬件资源
• 服务提供者：为应用程序提供各种服务接口
• 用户接口：为用户提供友好的操作界面
• 系统协调者：协调多个程序并发执行

操作系统的基本特征

1. 并发性（Concurrency）

定义：多个程序或进程在同一时间段内同时执行。

特点：

• 宏观上同时执行，微观上交替执行
• 通过时间片轮转实现并发
• 提高系统资源利用率

示例：

进程A: |--|--|--|--|  (时间片1)
进程B:    |--|--|--|  (时间片2)
进程C:      |--|--|  (时间片3)

2. 共享性（Sharing）

定义：系统中的资源可以被多个并发执行的程序共同使用。

共享方式：

• 互斥共享：资源在某一时刻只能被一个程序使用
• 同时共享：资源可以同时被多个程序使用

共享资源类型：

• CPU 时间
• 内存空间
• 外设（打印机、磁盘等）
• 文件和数据

3. 虚拟性（Virtualization）

定义：通过某种技术将一个物理实体转换为多个逻辑对应物。

虚拟化类型：

• CPU 虚拟化：多道程序设计，每个用户感觉独占 CPU
• 内存虚拟化：虚拟内存技术，提供比物理内存更大的地址空间
• 设备虚拟化：虚拟打印机、虚拟磁盘等

示例：

物理内存: 4GB
虚拟内存: 每个进程可访问4GB地址空间
实际效果: 多个进程同时运行，各自拥有独立的地址空间

4. 异步性（Asynchronism）

定义：程序的执行不是一气呵成的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。

原因：

• 资源竞争
• 系统调度
• 外部事件（I/O 操作）

特点：

• 程序执行顺序不可预测
• 需要同步机制保证正确性
• 提高系统响应性

操作系统的核心功能

1. 进程管理（Process Management）

主要任务：

• 进程的创建、撤销、调度
• 进程间通信和同步
• 死锁的预防和检测

管理内容：

• 进程控制块（PCB）
• 进程调度算法
• 进程状态转换

2. 内存管理（Memory Management）

主要任务：

• 内存分配和回收
• 地址转换
• 内存保护

管理技术：

• 分区管理
• 分页管理
• 分段管理
• 虚拟内存

3. 文件管理（File Management）

主要任务：

• 文件的创建、删除、读写
• 目录管理
• 文件存储空间管理

管理内容：

• 文件系统结构
• 文件访问控制
• 文件备份和恢复

4. 设备管理（Device Management）

主要任务：

• 设备分配和回收
• 设备驱动管理
• I/O 控制

管理技术：

• 中断处理
• DMA 技术
• 缓冲管理

5. 用户接口（User Interface）

接口类型：

• 命令行接口（CLI）：通过命令与系统交互
• 图形用户接口（GUI）：通过图形界面与系统交互
• 程序接口（API）：应用程序调用系统服务

操作系统的重要性

1. 对用户的重要性

• 简化操作：用户无需了解硬件细节
• 提高效率：多任务处理，提高工作效率
• 保护数据：提供数据安全和隐私保护

2. 对应用程序的重要性

• 提供标准接口：统一的系统调用接口
• 资源管理：自动管理硬件资源
• 错误处理：提供错误检测和恢复机制

3. 对硬件的重要性

• 硬件抽象：隐藏硬件复杂性
• 资源优化：提高硬件利用率
• 兼容性：支持多种硬件平台

总结

操作系统作为计算机系统的核心软件，具有并发性、共享性、虚拟性和异步性四个基本特征。它通过进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户接口五大功能，为用户和应用程序提供高效、安全、可靠的服务。

理解这些基本概念和特征，是深入学习操作系统其他内容的基础。在实际应用中，这些特征和功能相互配合，共同构成了现代操作系统的完整体系。