1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

操作系统是指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一个方便、高效、稳定的接口与运行环境。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

1.1.2 操作系统的特征

1. 并发

• 概念：并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。从宏观上看，这些事件似乎是同时进行的；但从微观角度，实际上是这些事件在交替执行。
• 考点：需要理解并发与并行的区别。并行是指多个事件在同一时刻真正地同时发生，而并发是在一段时间内多个事件交替执行。在多道程序设计环境中，并发是操作系统实现高效资源利用的关键机制之一。例如，多个进程可以在单个 CPU 上并发执行，通过操作系统的调度算法，使得每个进程都能在一定的时间片内获得 CPU 资源。

2. 共享

• 概念：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。资源共享分为互斥共享方式和同时访问方式。互斥共享是指在一段时间内只允许一个进程访问该资源，其他进程必须等待，例如打印机；同时访问方式是指在一段时间内多个进程可以同时访问该资源，例如磁盘。
• 考点：掌握不同类型资源的共享方式，以及资源共享在提高系统资源利用率方面的意义。另外，可能会考查资源分配不当导致的死锁问题，因为资源共享是死锁产生的一个必要条件。
• 并发和共享式操作系统两个最基本的特征。

3. 虚拟

• 概念：把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。在操作系统中，主要包括 CPU、内存和 I/O 设备的虚拟技术，可以归纳为时分复用技术和空分复用技术。例如，通过时分复用技术实现多个用户共享一个 CPU，每个用户感觉自己独占一个 CPU；通过虚拟内存技术，让用户程序能够访问比实际物理内存更大的地址空间，虚拟存储器是一种空分复用技术。
• 考点：重点掌握虚拟内存的实现原理，包括页表、地址转换等机制，以及虚拟技术如何提高系统的资源利用率和用户体验。

4. 异步

• 概念：在多道程序环境下，由于资源的限制和进程之间的相互影响，进程的执行不是连续的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。
• 考点：理解异步性对操作系统设计的影响，比如进程调度、资源分配等方面都需要考虑到进程执行的异步性。同时，在处理进程同步和互斥问题时，也需要考虑到异步性可能导致的不确定性。

1.1.3 操作系统的目标和功能

1. 计算机资源的管理者

• 处理机管理：包括进程控制（创建、撤销、阻塞、唤醒等操作）、进程调度（选择合适的进程占用 CPU）等。考点主要集中在进程的状态转换、进程调度算法的原理和性能分析等方面。
• 存储器管理：涉及内存分配和回收（如动态分区分配算法、分页存储管理、分段存储管理等）。重点考查各种内存管理算法的实现原理、内存碎片的产生和解决方法，以及虚拟内存的概念和实现机制。
• I/O 设备管理：负责设备分配操纵，包括设备的分配策略、设备驱动程序的编写等。考点有设备分配的方式（独占、共享、虚拟）、设备独立性的概念等。
• 文件管理：主要涉及文件的存取、共享和保护。考查点包括文件的逻辑结构和物理结构、文件目录的组织方式、文件共享的实现方法（硬链接和软链接）、文件访问权限的设置等。

2. 用户接口

• 命令接口：分为联机命令接口（用户直接在终端上输入命令，系统立即执行）和脱机命令接口（用户将一批命令预先写在一个文件中，然后提交给系统执行）。
• 程序接口（系统调用）：是操作系统提供给编程人员的接口，允许用户程序调用操作系统的服务来完成特定的功能，如文件读写、进程创建等。考点在于掌握常见的系统调用类型、系统调用的执行过程。
• GUI 图形化界面：为用户提供了一种直观、方便的操作方式，通过窗口、菜单、图标等元素与计算机系统进行交互，GUI最终是通过调用程序接口实现的。严格来说图形接口不是操作系统的一部分，但图形接口所调用的系统调用命令是操作系统的一部分。

3. 硬件扩展

• 概念：操作系统将裸机改造为功能更强、使用更方便的扩充机器或虚拟机。它隐藏了硬件的复杂性，为用户和应用程序提供了一个抽象的、易于使用的计算环境。
• 考点：理解操作系统在硬件扩展方面的作用，以及不同层次的抽象（如指令集、系统调用等）是如何为用户提供一个方便的编程和使用环境的。

1.2 操作系统发展历程

以下是计算机408《操作系统》中操作系统的发展历程这一小节的知识点和考点总结：

1.2.1 手工操作阶段（此阶段无操作系统）

• 知识点

• 在这个阶段没有操作系统，用户直接使用计算机硬件。
• 用户独占全机，资源利用率低，CPU等待人工操作，人机矛盾突出。

• 考点

• 可能考查此阶段计算机使用方式的特点，例如对资源利用率低的原因分析。

1.2.2 批处理阶段（操作系统开始出现）

1. 单道批处理系统

• 知识点

• 引入了监督程序（早期操作系统的雏形），可以自动地把一批作业逐个地装入内存执行。
• 具有自动性、顺序性和单道性的特点。
• 虽然缓解了人机速度矛盾，但系统资源仍未得到充分利用。

• 考点

• 考查单道批处理系统的特点，如在选择题中判断某个描述是否符合单道批处理系统的特征。
• 分析单道批处理系统对人机矛盾的缓解程度以及资源利用的局限性。

2. 多道批处理系统

• 知识点

• 允许多个程序同时进入内存并交替执行，具有多道的特点，实现了宏观上并行、微观上串行的运行方式。
• 资源利用率高，但由于作业需排队依次处理，平均周转时间长，且无交互能力。
• 存在资源共享、相互制约等复杂关系。

• 考点

• 多道批处理系统中程序的并发执行原理是考查重点，可能在综合题中出现。
• 对多道批处理系统资源利用率提高的原因、平均周转时间长的原因等方面进行考查。
• 可能考查与其他系统（如分时系统）相比，多道批处理系统在交互性方面的差异。

1.2.3 分时操作系统

• 知识点

• 多个用户通过终端同时共享主机，系统把CPU时间划分成时间片，轮流分配给各个终端用户使用。
• 具有同时性、交互性、独立性和及时性的特点。
• 注重人机交互，满足多个用户对计算机的交互使用需求。

• 考点

• 分时系统的特点考查，例如判断某个系统是否符合分时系统的特征。
• 考查分时系统实现人机交互的原理，如时间片轮转机制的具体实现过程。

1.2.4 实时操作系统

• 知识点

• 能够及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作。
• 分为硬实时系统（必须在绝对严格的规定时间内完成处理）和软实时系统（在一定时间内响应处理即可）。
• 可靠性高，主要应用于对响应时间有严格要求的领域。

• 考点

• 考查硬实时系统和软实时系统的区别与联系。
• 分析实时操作系统在特定领域（如工业控制、航空航天等）应用的原因，即对实时性和可靠性的要求。

1.2.5 网络操作系统

• 知识点

• 基于计算机网络环境，实现网络中各种资源的共享和计算机之间的通信。
• 提供网络通信和网络资源管理等服务。

• 考点
• 考查网络操作系统的主要功能，如网络资源共享的实现方式、网络通信协议的相关内容。

1.2.6 分布式操作系统

• 知识点

• 由多台计算机组成，系统中各台计算机地位平等，无主次之分。
• 系统中的资源供所有计算机共享，具有分布性、并行性等特点。
• 强调多台计算机协同完成同一任务。

• 考点

• 可能考查分布式操作系统中资源共享的特点、与其他操作系统在资源管理方面的区别。
• 考查分布式系统实现任务并行处理的原理。

1.2.7 个人计算机操作系统

• 知识点

• 主要面向个人用户，为个人计算机提供方便、友好的操作界面。
• 如 Windows、macOS、Linux等，注重用户体验和单用户环境下的易用性。

• 考点

• 考查常见个人计算机操作系统的特点，如 Windows系统的图形界面操作、文件管理方式等。