# 计算机操作系统概述（考研复试终极整理版） ## 一、操作系统定义与目标 ### 1. 定义 操作系统（OS）是**控制和管理计算机硬件与软件资源**的系统软件，负责资源分配、任务调度、协调多任务活动，并提供用户接口。 - **核心功能**：进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、用户接口。 - **层次结构**：用户 → 应用程序 → 操作系统 → 硬件。 ### 2. 目标 1. **有效性**：提高资源利用率（CPU、内存等）和系统吞吐量。 2. **方便性**：提供用户友好的接口（GUI、命令行、程序接口）。 3. **可扩充性**：支持模块化扩展（如微内核设计）。 4. **开放性**：遵循国际标准，兼容多种硬件和软件。 --- ## 二、操作系统的基本特征 ### 1. **并发与并行** - **并发**：多个任务在**同一时间间隔**内交替执行（单核CPU）。 - **并行**：多个任务在**同一时刻**同时执行（多核CPU）。 ### 2. **共享性** - **互斥共享**：资源一次仅允许一个进程使用（如打印机）。 - **同时共享**：资源可被多个进程宏观同时访问（如硬盘）。 ### 3. **虚拟性** - **时分复用**：CPU时间片轮转（单核模拟多任务）。 - **空分复用**：虚拟内存、磁盘分区（物理资源逻辑分割）。 ### 4. **异步性** 进程执行“走走停停”，不可预知执行顺序，需保证结果正确性。 **关系**： - **并发与共享互为条件**：无并发则共享无意义；无共享则无法并发。 --- ## 三、操作系统的发展历程 ### 1. **手工操作阶段（1940s）** - **特点**：用户独占计算机，人工装卸纸带，效率极低。 - **缺点**：人机速度矛盾、资源利用率低。 ### 2. **批处理系统** - **单道批处理**：自动执行作业队列，但内存仅存一个作业（如IBM OS/360）。 - **多道批处理**：内存驻留多个作业，CPU交替执行（资源利用率↑，但无交互性）。 ### 3. **分时操作系统** - **特点**：多用户共享主机，时间片轮转（如Unix、Linux）。 - **优点**：交互性强，用户独占感。 ### 4. **实时操作系统** - **硬实时**：严格时限（如航空航天控制）。 - **软实时**：允许延迟（如流媒体播放）。 ### 5. **现代操作系统类型扩展** - **网络操作系统**：管理网络资源（如Windows Server）。 - **分布式操作系统**：多机协同（如Hadoop）。 - **嵌入式操作系统**：资源受限设备（如VxWorks）。 --- ## 四、操作系统的分类 | **类型** | **特点** | **典型示例** | | -------------- | -------------------------- | ----------------- | | 批处理系统 | 自动执行作业队列，吞吐量高 | OS/360 | | 分时系统 | 多用户交互，时间片轮转 | Unix、Linux | | 实时系统 | 严格响应时限，高可靠性 | VxWorks、RTOS | | 网络操作系统 | 资源和服务共享 | Windows Server | | 分布式操作系统 | 多机协同，透明资源访问 | Google GFS | | 嵌入式操作系统 | 资源受限，低功耗 | Android、FreeRTOS | --- ## 五、操作系统核心功能详解 ### 1. **处理机管理** - **进程调度**：创建/撤销进程，分配CPU时间片（如多级反馈队列）。 - **进程同步**：解决临界资源竞争（如信号量、管程）。 ### 2. **内存管理** - **地址映射**：逻辑地址→物理地址（MMU）。 - **虚拟内存**：页面置换算法（如LRU）。 ### 3. **文件管理** - **目录结构**：树形/图形结构（如NTFS、EXT4）。 - **文件保护**：权限控制（读/写/执行）。 ### 4. **设备管理** - **I/O调度**：缓冲技术、SPOOLing（如打印机队列）。 --- ## 六、考研高频考点 1. **并发 vs 并行**：单核CPU能否实现并行？ - 答：否，单核只能并发；并行需多核。 2. **进程与线程区别**：资源分配单位 vs 执行单位。 3. **系统调用 vs 库函数**：系统调用需内核态切换，库函数在用户态。 4. **中断处理流程**：保护现场 → 执行中断程序 → 恢复现场。