操作系统：操作系统总复习（综述篇）

操作系统综述篇

文章目录

• 操作系统概论

  • 绪论

  • 第一章 操作系统的定义

    • 1.1 操作系统的概念与历史发展
    • 1.2 操作系统的分类与应用领域

  • 第二章 操作系统的功能与作用

    • 2.1 提供资源管理服务
    • 2.2 实现程序间的并发执行
    • 2.3 提供安全与保护机制
    • 2.4 实现人机交互界面

  • 第三章 操作系统的基本特性

    • 并行处理能力
    • 资源互用性
    • 虚拟化管理技术
    • 非同步处理机制

  • 四、微内核OS结构

  • • • • 特点
    • 功能
    • 问题

  • 总结

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前言

操作系统的重要性不容忽视，在现代计算机领域深入理解工作流程是必修之路的同时也能为掌握其他编程语言打下坚实的基础。由于许多核心概念均与操作系统的运行紧密相关因此熟练的操作系统知识是打好数字基础的关键所在因而值得花大力气加以学习。

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一、什么是操作系统？

系统软件（OS, Operating System）是安装于计算机硬件上的底层软件，在硬件的基础上完成了首次扩展。其在整个计算机系统中扮演着关键角色，并为各类应用软件提供基础支持环境。其中包含汇编程序、编译程序以及数据库管理系统等系统软件的开发与运行均需基于这一基础平台进行操作；这些应用程序要想正常运行就必须获取操作系统提供的各项服务。

二、操作系统的作用是什么？

1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

操作方式；通过提供一个操作界面（界面），OS让用户能够执行相应的指令以完成相应的服务请求，并且能够控制用户的程序运行状态。

系统提供的系统调用方式；
操作系统通过提供相应的库函数实现系统调用；
应用程序可以通过特定的函数或指令来发起相应的系统操作；
从而实现与操作系统之间的通信，并获得所需的服务。

图形界面、窗口界面；这种方法应该是用户最熟悉的一种方式。只需通过鼠标简单的点击就能实现与操作系统之间的通信，并获取其服务。

2、OS作为计算机系统资源的管理者

• 处理模块；主要负责配置与调度处理器的工作流程。
• 存储单元；承担内存资源的配置与回收工作。
• 输入输出模块；主要负责I/O设备的配置与操作流程。
• 文件处理系统；全面管理文件存取、共享以及安全保护过程。

3、OS实现了对计算机资源的抽象

若在计算机上未预先配置任何软件，则意味着用户必须面对硬件接口来进行编排。这一过程相当繁琐。为了简化操作过程，则在系统中部署了一层I/O设备管理软件。它提供了标准的数据读写接口，在此之上用户的编排将变得更为简便。此外又增加了文件管理系统，并提供了相应的操作界面，在此之上用户的编排将更为高效和便捷。而操作系统正是由这些功能组件共同构成，在其抽象下隐藏了硬件系统的复杂细节，并通过统一分界线供用户提供便捷的操作入口，在此之上用户的编排就可事半功倍

三、操作系统的基本特性

该操作系统的核心特性包括并行性、资源共用性、虚拟化技术以及非同步处理机制。主要来说的话，在这里我们重点强调的是，并行性是最基础的特性。其余三个特性则建立在并行性之上的。

并发性

提到并发，就自然而然的会提到并行，两者到底有怎样的区别呢。

并行性 是指两个或多个事件在同一时刻发生。

并发性 是指两个或多个事件在同一时间间隔发生。

从单处理器计算机的概念可知，在单处理器系统中使用多道程序实现的是轮流执行机制，并称为并行操作；然而每个时间段内仅有一道程序处于执行状态属于并行处理。而在多处理器系统中则可实现多个程序可在同一时间单元内同时执行即为并行处理。

由用户输入的代码经由人机交互平台向计算机发送指令。对于用户体验而言, 计算机系统在后台自动执行任务流程。由于单个应用程序在物理存储上以静态形式存在, 因此无法直接由处理器发起独立任务处理, 同时也无法与其他应用程序同时并行处理。然而, 实际上系统会创建独立的作业实体（进程）进行管理, 并通过多态机制生成可变长的任务链（线程）, 然后将任务分配给处理器处理。

但进程与线程也常被人们所混淆的概念。操作系统将资源分配给进程的基本单位是什么？而在线性代数中我们通常所说的矩阵转置是什么意思呢？这些基本概念的学习对于理解后续知识至关重要

共享性

共享被称为操作系统中的资源供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用的资产。这种共同使用的状态即为资源共享。基于不同类型的资源特性以及进程对资源使用的不同需求，在现有技术中已经实现了至少两种形式的资源共享机制。

互斥共享方式

当一个进程A占用某项特定的系统性资源时，在另一个试图使用同一项 resource 的进程中就必须等待直到进程A完成对 resource 的操作并释放它之后才能继续操作该 resource。这样一种系统性地管理 resource 使用顺序的方式被称为互斥式共享机制。这样的 resource 被称为具有临界性的（或独占性的）系统性 resource。例如打印机就是典型的具有临界性（独占性）的系统性 resource实例。

同时访问方式

某类资源在一段时间内可由若干个进程并发地获取，在宏观层面上体现为并行操作特性，在微观层面则是这些进程轮流地对共享资源进行获取操作；其就是磁盘设备等典型的共享存储介质。

虚拟性

虚拟就是基于某种技术将一个物理实体转换为若干个逻辑上的对应物。需要注意的是，在这种情况下区分清楚的是物理实体的真实存在与否与之对应的是否是虚拟的？目前而言主要采用以下两种虚现实现技术和相关方法：时分复用技术和空分复用技术。

时分复用技术

时分复用技术可实现对虚拟处理机与虚拟设备等的支持，并进而提升系统资源利用率。该种技术通过采用多道程序设计方法，在每一时刻只分配部分处理器资源给某一个任务队列，在同一时间段内可轮流支持多个任务队列的需求。该方法使得同一台计算机能够轮流服务于多个用户，在这种情况下每个终端用户均能感受到有一台专用的处理机为他服务。

通过虚拟化技术实现单机物理I/O转变为多态逻辑层面的I/O，并赋予用户使用一台或多台逻辑层面上的I/O资源的能力。这样便能实现单机变为允 multiline共享的目标转变。

空分复用技术

空分复用技术可以用来实现虚拟磁盘、虚拟存储等，用来提高资源利用率。

该技术是一种先进的数据存储解决方案。通过该技术,我们可以将一个存储介质转换为多个实例的虚拟磁盘系统,这种设置不仅安全可靠,而且操作简便。例如,在实际应用中,我们通常会将其划分为C1、D2、E3等逻辑分区进行管理,以确保数据的安全性和可扩展性。

虚拟存储器系统是一个非常有效的方法，在实际应用中具有重要的意义

在时分复用或空分复用中，在其中逻辑设备数目为N的情况下，则每台虚拟设备的速度必定不超过物理设备速度除以N。

异步性

在多道程序环境下允许多个程序同时运行但在任何时刻仅有相关程序拥有必要的资源方能进行操作例如当前运行中的程序A试图获取打印机但因程序B正占用打印机故程序A必须暂时搁置并放弃处理机使用权直至程序B完成打印作业并重新获得处理机使用权之后方能继续运行由此可知各程序的操作往往并非一帆风顺而是经常中断的现象即称其操作具有非同步性特征其推进速度往往难以预测

四、微内核OS结构

旨在提高操作系统的正确性、灵活性、易维护性和可扩展性的现代操作系统架构设计中，在单处理机环境下，默认采用了基于客户/服务器架构的微内核设计，并将系统功能划分为两个核心组件：主框架（通常被称为微内核）与服务组件（通常由多个服务器构成）。对于这一核心组件——微内核——进行了以下详细描述

特点

最小化设计的核心组件 ：该组件经过精心设计以实现现代操作系统的基本功能。微内核并非整个操作系统而是其中最为基础的部分仅是操作系统中最为基础的部分它主要用于处理与硬件高度相关的事务承担一些基础功能并负责客户机与服务器之间的通信

基于客户/服务器模式

采用"机制与策略分离"这一原理进行设计：其中"机制"即指用于实现某一功能的具体执行架构；而"策略"则作为基于上述机制并借助特定参数或算法以实现功能优化或不同功能目标的关键手段。一般而言，在系统架构中通常将 mechanism 放置在基础层面上；而 strategy 则位于较高的层次结构中。在微内核系统设计中，默认情况下这一安排会被实施。

采用面向对象技术 ：通过面向对象技术的抽象化与信息隐藏原理来降低系统复杂度；通过类体化策略实现操作系统的可靠性和高效设计。

功能

• 进程（线程）管理：为达成进程（线程）调度功能需求，在进程管理中应配置一个或多个进程（线程）优先级队列系统，以便能够从指定优先级队列中取出相关进程（线程），投入执行过程。由于该功能属于调度机制的核心组成部分，则应将其整合至微内核架构中进行处理。而如何制定各类用户进程的优先级策略以及相应地调整其优先级，则属于策略设计范畴的内容，则应当独立设定期望值服务器系统来完成相关操作。值得注意的是，进程间的通信功能作为微内核OS的基础功能之一，则几乎所有的微内核OS都将该功能纳入微内核架构之中；此外还包括对进程切换、线程调度以及处理器同步等功能均予以整合至微内核模块之中。
• 低级存储器管理：在微内核架构下，默认配置了基础性的低级存储器管理机制体系。例如用于实现用户控件逻辑地址向物理地址转换所需的一系列页表机制和地址变换机制等技术细节，则是基于硬件特性而设计的核心组件；这部分内容则应整合至微内核系统框架之中进行支持；至于具体的页面算法选择以及内存分配回收策略等内容，则属于独立的策略决策范畴内容，则应当部署至微内核外围的存储器管理系统服务器上进行具体实现。
• 中断与陷阱处理：在微内核架构下，默认具备对所发生的中断与陷阱事件进行接收与初步处理的能力体系。例如包括执行中断现场保护措施、识别事件类型并将其信息转化为消息形式发送给相应的服务器端系统等基础性操作；各服务端接收到此类消息后则根据事件类型调用预设的相关处理程序体系来进行后续的操作处理流程。

问题

基于微内核架构的系统采用客户端/服务器模式具有诸多优势，在实际应用中也面临一定缺陷。当客户端进程与服务端进程之间以及服务端进程之间进行通信时都会经过微内核架构实现上下文切换以及数据传输操作这一步骤这样的设计虽然提高了系统的可靠性和扩展性但在实际运行中会导致额外的开销因此影响整体性能表现

说明：当应用程序发起文件读取请求时，在操作系统层面上经历了四个状态转换周期（即用户态与系统态交替切换），这带来了较高的资源消耗。通过优化设计实现对该过程的简化，在微内核架构下仅需完成两个状态转换阶段即可完成相关操作。这种优化降低了整体资源消耗，并显著提升了系统的扩展能力。

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总结

操作系统的相关知识已经做了归纳总结，并在此阶段做了一个初步概述。之后我们将更加深入地介绍每一个知识点，请各位朋友耐心收看~