操作系统基础

一、操作系统概念

1. 计算机系统结构

从整体结构上看，计算机系统通常由硬件、操作系统、应用程序和用户四个层次组成。其中：

• 硬件：CPU、内存、磁盘、I/O 设备等
• 操作系统（OS）：位于硬件之上，负责统一管理和抽象硬件资源
• 应用程序：运行在操作系统之上，使用 OS 提供的服务
• 用户：通过命令行、图形界面或程序间接与操作系统交互

可以看到，用户并不直接操作硬件，而是通过操作系统进行交互，操作系统在其中起到了核心枢纽作用。

2. 操作系统的定义

操作系统（Operating System，OS） 是一种控制和管理计算机系统中硬件与软件资源的系统软件。其主要职责包括：

• 对计算机硬件资源进行统一管理和调度
• 为应用程序提供运行环境
• 向用户提供方便、抽象且安全的使用接口

操作系统是计算机系统中最基础、最关键的系统软件，几乎所有现代计算机系统都离不开操作系统的支持。

3. 操作系统对软硬件的管理示例

以任务管理器为例，可以直观地看到：

• 操作系统同时管理着 CPU、内存、磁盘、网络等硬件资源
• 操作系统也在调度和管理 多个正在运行的软件进程

这说明操作系统并不是“被动存在”，而是在持续地对系统资源进行协调与控制。

二、操作系统的功能与目标

从不同视角来看，操作系统可以承担多种角色，下面从三个经典角度进行分析。

1. 作为系统资源的管理者

1.1 进程的基本概念

进程（Process） 是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

程序在执行前，必须先被加载到内存中，随后由 CPU 按照指令顺序进行处理，该动态执行过程即为进程。

1.2 操作系统提供的核心管理功能

作为系统资源管理者，操作系统主要提供以下几类功能：

• 处理机（CPU）管理
  • 进程调度
  • 进程切换
  • 多任务并发执行支持
• 存储器（内存）管理
  • 内存分配与回收
  • 地址映射（逻辑地址 → 物理地址）
  • 虚拟内存机制
• 文件管理
  • 文件的创建、删除、读写
  • 目录结构维护
  • 访问权限控制
• 设备管理
  • I/O 设备的统一管理
  • 设备驱动程序
  • 缓冲与中断处理
    （如键盘、鼠标、摄像头、磁盘等）

1.3 管理目标

操作系统在资源管理层面的核心目标是：

• 安全性：防止非法访问和资源冲突
• 高效性：提高资源利用率和系统吞吐量

2. 作为用户与计算机硬件之间的接口

操作系统并不要求用户理解复杂的硬件细节，而是通过多种接口形式屏蔽底层实现。

2.1 提供的接口类型

（1）命令接口（Command Interface）

允许用户直接向操作系统发出指令：

• 联机命令接口（交互式命令接口）
  • 如 Terminal、Shell
  • 特点：用户输入一条指令，系统立即执行并反馈结果
• 脱机命令接口（批处理接口）
  • 如 .bat、Shell 脚本
  • 特点：将多条指令写入文件，系统按顺序自动执行

（2）程序接口（系统调用）

允许应用程序间接使用操作系统功能。

例如：

• C:\Windows\System32\user32.dll
• 程序员在代码中调用该库提供的函数
• 实际底层由操作系统完成窗口创建、事件处理等操作

这种由程序触发、由操作系统执行的接口称为 系统调用（System Call），也可理解为一种“广义指令”。

（3）图形用户界面（GUI）

• 通过窗口、按钮、图标等方式与用户交互
• 是现代操作系统中最常见、最友好的交互形式

以上所有供用户或应用程序使用的方式，统称为 用户接口。

3. 作为最接近硬件的系统层次

3.1 功能

操作系统是最靠近硬件的软件层，其核心功能之一是：

对硬件功能进行抽象和扩展

3.2 扩充机器的概念

在没有操作系统的情况下，计算机只是一个“裸机”，功能十分有限。

通过安装操作系统：

• 硬件资源被统一抽象和管理
• 用户无需关心硬件细节即可使用计算机
• 系统整体能力得到极大增强

因此，覆盖了操作系统的软件环境的计算机，通常被称为：

• 扩充机器
• 或 虚拟机（从操作系统抽象意义上）