1.计算机操作系统——概述.md 4.5 KB
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
- 有效性：提高资源利用率（CPU、内存等）和系统吞吐量。
- 方便性：提供用户友好的接口（GUI、命令行、程序接口）。
- 可扩充性：支持模块化扩展（如微内核设计）。
- 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
- 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。
- 答：否，单核只能并发；并行需多核。
- 进程与线程区别：资源分配单位 vs 执行单位。
- 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。
- 中断处理流程：保护现场 → 执行中断程序 → 恢复现场。