第一章 操作系統(tǒng)引論
1.1 操作系統(tǒng)的概念與目標(biāo)
操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是配置在計(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件，是對(duì)硬件系統(tǒng)的首次擴(kuò)充。其主要目標(biāo)是：
- 方便性：為用戶(hù)提供友好的交互界面，使計(jì)算機(jī)更易于使用。
- 有效性：提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。
- 可擴(kuò)充性：便于增加新功能和模塊，適應(yīng)硬件與體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
- 開(kāi)放性：遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支持軟硬件兼容與互操作。
1.2 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程
- 手工操作階段（無(wú)操作系統(tǒng)）：用戶(hù)獨(dú)占全機(jī)，CPU等待人工操作，資源利用率極低。
- 批處理系統(tǒng)：通過(guò)監(jiān)督程序?qū)崿F(xiàn)作業(yè)的自動(dòng)過(guò)渡，分為單道批處理（順序執(zhí)行）和多道批處理（多程序并發(fā)，顯著提高資源利用率）。
- 分時(shí)系統(tǒng)：采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式，使多個(gè)用戶(hù)通過(guò)終端共享主機(jī)資源，提供交互能力，例如UNIX系統(tǒng)。
- 實(shí)時(shí)系統(tǒng)：能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成處理，分為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)（如工業(yè)控制）和實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)（如訂票系統(tǒng)）。
- 現(xiàn)代操作系統(tǒng)發(fā)展：隨著網(wǎng)絡(luò)化和分布式計(jì)算的需求，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（如Windows Server）和分布式操作系統(tǒng)（如谷歌的分布式架構(gòu)），強(qiáng)調(diào)資源共享、通信與協(xié)同。
1.3 操作系統(tǒng)的基本特性
- 并發(fā)性：多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程管理實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。
- 共享性：系統(tǒng)資源可供多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用，包括互斥共享（如打印機(jī)）和同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)（如只讀文件）。
- 虛擬性：通過(guò)技術(shù)將一個(gè)物理實(shí)體映射為多個(gè)邏輯實(shí)體，如虛擬存儲(chǔ)器（利用硬盤(pán)擴(kuò)展內(nèi)存）和虛擬處理器（多道程序分時(shí)使用CPU）。
- 異步性：進(jìn)程的執(zhí)行以不可預(yù)知的速度推進(jìn)，但操作系統(tǒng)必須保證在相同環(huán)境下運(yùn)行結(jié)果的一致性。
1.4 操作系統(tǒng)的主要功能
- 處理機(jī)管理：包括進(jìn)程控制、同步、通信和調(diào)度，核心是多道程序環(huán)境下CPU的高效分配。
- 存儲(chǔ)器管理：負(fù)責(zé)內(nèi)存分配與回收、地址映射、內(nèi)存保護(hù)與擴(kuò)充（虛擬內(nèi)存技術(shù)）。
- 設(shè)備管理：完成I/O請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配、緩沖管理和虛擬設(shè)備功能（如SPOOLing技術(shù)）。
- 文件管理：管理外存信息，提供文件存儲(chǔ)、檢索、共享和保護(hù)機(jī)制。
- 用戶(hù)接口：提供命令接口（CLI）、圖形用戶(hù)界面（GUI）和程序接口（API），方便用戶(hù)與系統(tǒng)交互。
1.5 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
- 傳統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)：將功能劃分為模塊，接口復(fù)雜，維護(hù)困難。
- 分層式結(jié)構(gòu)：將系統(tǒng)分為若干層，每層基于下層服務(wù)，結(jié)構(gòu)清晰但效率可能降低。
- 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：將核心功能（如進(jìn)程通信、低級(jí)存儲(chǔ)管理）置于微內(nèi)核，其他功能作為服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行，提高了可擴(kuò)展性和可靠性，代表如Mach和Windows NT。
1.6 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成中的操作系統(tǒng)角色
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成中，操作系統(tǒng)處于核心地位，承上啟下：
- 硬件抽象層：隱藏硬件細(xì)節(jié)，為上層軟件提供統(tǒng)一的調(diào)用接口。
- 資源管理者：集成CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等硬件資源，實(shí)現(xiàn)高效、公平的分配與調(diào)度。
- 系統(tǒng)服務(wù)提供者：通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用為應(yīng)用程序提供文件、網(wǎng)絡(luò)、安全等基礎(chǔ)服務(wù)。
- 協(xié)同與擴(kuò)展平臺(tái)：支持多任務(wù)并發(fā)、網(wǎng)絡(luò)通信和分布式計(jì)算，是構(gòu)建復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器）的基礎(chǔ)平臺(tái)。
本章小結(jié)
第一章奠定了操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，明確了其作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心軟件的地位。從發(fā)展歷程理解其演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，從四大特性把握其本質(zhì)，從五大功能掌握其核心任務(wù)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成中，操作系統(tǒng)是連接硬件與應(yīng)用的關(guān)鍵樞紐，其設(shè)計(jì)與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。后續(xù)章節(jié)將深入探討進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等具體功能的實(shí)現(xiàn)原理。
