操作系统

作者：姚博文 · 2026-08-15

操作系统

1\. 概述

1.1 操作系统的定义与作用

· **定义**：操作系统（OS）是控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的**程序集合**，是计算机系统中最基本的系统软件。

· **作用**：

1. **资源的管理者**：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理。

2. **用户与硬件之间的接口**：命令接口（联机命令、脱机命令）、程序接口（系统调用）、图形用户界面（GUI）。

3. **对硬件机器的扩充**：把裸机扩充为功能更强、使用更方便的虚拟机。

· **目标**：方便性、有效性（提高资源利用率与系统吞吐量）、可扩充性、开放性。

1.2 基本特征

· **并发**：两个或多个事件在**同一时间间隔内**发生（宏观同时、微观交替）。并发是 OS 最重要的特征。

· **共享**：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，分为互斥共享（如打印机）与同时访问（如磁盘）。

· **虚拟**：把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物，如时分复用（CPU）与空分复用（内存）。

· **异步**：进程以不可预知的速度向前推进，但最终结果一致。

**易错点**：**并发 ≠ 并行**。并发是同一时间间隔内交替执行，并行是同一时刻真正同时执行（需多核支持）。并发与共享互为存在条件。

1.3 主要功能

· **处理机管理**：进程/线程管理、处理机调度。

· **存储器管理**：内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享、内存扩充（虚拟内存）。

· **文件管理**：文件存储空间管理、目录管理、文件的读写与保护。

· **设备管理**：设备分配、缓冲管理、设备处理。

· **用户接口**：命令接口与程序接口。

1.4 操作系统的发展历程

· **手工操作阶段**：无 OS，用户独占全机，人机速度矛盾突出。

· **批处理阶段**：

· 单道批处理：内存中仅一道程序，CPU 与 I/O 交替运行，利用率低。

· 多道批处理：多道程序同时装入内存，CPU 利用率显著提高，但**无交互能力**，作业周转时间长。

· **分时 OS**：以时间片轮转实现多个用户交互，特征为多路性、独立性、及时性、交互性。

· **实时 OS**：要求及时响应外部事件，分为硬实时与软实时。

· **网络与分布式 OS**：网络 OS 提供网络通信与资源共享；分布式 OS 把多台计算机组成一个整体，透明性强。

**易错点**：多道批处理系统**无交互能力**；分时系统强调**及时响应**，实时系统强调**可靠性与准时性**。

1.5 运行环境与体系结构

· **中断与异常**：

· 内中断（异常）：由 CPU 内部事件引起——陷入（trap，如系统调用）、故障（fault，如缺页）、终止（abort）。

· 外中断（中断）：由 CPU 外部事件引起，如 I/O 完成中断、时钟中断。

· 中断处理过程：关中断 → 保存断点 → 中断服务程序寻址 → 保存现场 → 开中断 → 执行中断服务程序 → 恢复现场 → 中断返回。

· **系统调用**：用户在程序中请求 OS 内核服务的途径，通过\*\*陷入指令（访管指令）\*\*从用户态切换到内核态执行。

· **内核态与用户态**：用程序状态字（PSW）标志位区分；**特权指令只能在核心态执行**（如中断指令、I/O 指令）。

**易错点**：用户态 → 核心态的**唯一途径是中断/异常/陷入**；核心态 → 用户态通过特权指令（如 `iret`）完成。库函数不一定都是系统调用。

· * *

2\. 进程与线程

2.1 进程

· **概念**：进程是程序的一次执行过程，是**资源分配的基本单位**。

· **组成**：PCB（进程控制块）、程序段、数据段。

· **PCB**：存放进程标识符、处理机状态（通用寄存器、PC、PSW、栈指针）、调度信息（状态、优先级）、控制信息（程序与数据地址、资源清单、同步通信机制）。**PCB 是进程存在的唯一标志**。

· **状态与转换**（三态模型）：

· 运行态、就绪态、阻塞态。

· 就绪 → 运行（被调度）；运行 → 就绪（时间片到/被抢占）；运行 → 阻塞（等待事件）；阻塞 → 就绪（事件发生）。

· **进程控制**：用**原语**实现——创建、终止、阻塞