操作系统概述

操作系统定义

操作系统（OS）是管理计算机硬件和软件资源的系统软件，旨在提供一个操作环境，使用户和应用程序能够高效地使用计算机资源。它通过合理组织计算机工作流程、控制程序执行并提供友好接口，确保用户能够顺利进行各种操作。

操作系统的作用

1. 资源管理：操作系统管理计算机中运行的程序，并分配CPU、内存、输入输出设备等各种软硬件资源，确保它们高效运作。

2. 人机接口：为用户提供友好的界面，使用户能够方便地与计算机进行交互。

3. 应用平台：为程序的开发和执行提供高效的平台，提高运行效率，并支持开发者进行应用程序的设计和实现。

操作系统的特征

1. 并发性：支持多个任务并行执行。

2. 共享性：多用户和多任务环境下，多个程序可以共享系统资源。

3. 虚拟性：提供虚拟内存等特性，使得程序认为它们拥有完整的内存。

4. 不确定性：系统的行为有时难以预测，尤其是在多任务环境中。

操作系统的功能

1. 进程管理：负责处理器的时间管理，包括进程调度、进程控制（创建、终止）、进程同步与通信等。

2. 文件管理：管理文件的存储、读写与访问权限，包括目录管理和存储空间分配。

3. 存储管理：管理主存空间，包括存储分配、保护、地址映射和扩展。

4. 设备管理：管理各种硬件设备的分配与使用，包括输入/输出设备的控制。

5. 作业管理：涉及任务管理、界面管理以及人机交互（如图形界面、语音控制）。

操作系统的分类

• 批处理操作系统：

  • 具体介绍：批处理操作系统按照任务的批次顺序来处理任务，通常不与用户交互。它适用于需要大批量数据处理的场景，能够提高计算机的利用率。
  • 举例说明：早期的大型计算机操作系统，如IBM的OS/360，就是批处理操作系统的一个例子。它通常用于银行的批量数据处理、大型企业的报表生成等。

批处理操作系统是一种将任务按批次集中处理的操作系统。它主要适用于需要处理大量数据且可以容忍较长时间等待响应的环境。这种操作系统通过将一系列任务收集到一个批处理文件中，然后按顺序执行这些任务，从而提高系统的效率和利用率。

单道批处理操作系统

单道批处理操作系统是一种较早的操作系统类型。在这种系统中，计算机一次只处理一个作业（或任务）。作业完成后，下一个作业才会被加载到计算机中进行处理。由于系统一次只处理一个任务，任务之间没有并行处理，因此效率较低。

形象举例： 想象一下，你是一个厨师，你有一个订单列表，每个订单都需要你独自完成。你先做完第一个订单，然后开始做第二个订单，以此类推。在这个过程中，你不能同时做多个订单，每个订单必须依次完成。这就是单道批处理系统的形象描述。

多道批处理操作系统

多道批处理操作系统是一种改进的批处理系统。在这种系统中，计算机可以同时处理多个作业。通过多道技术，可以将多个作业同时加载到计算机中，使得一部分作业等待时，计算机可以处理另一部分作业，从而提高了系统的效率和资源利用率。

形象举例： 继续用厨师的例子来说明。假设你是一位更高级的厨师，你可以同时处理多个订单。例如，你可以在烤箱里烤面包的同时，准备其他订单的食材或者炒菜。这样，有些作业等待烤箱完成时，你还可以处理其他不需要烤箱的订单，提高了整体的工作效率。这就是多道批处理系统的形象描述。

区别总结

• 单道批处理：一次处理一个作业，作业之间没有并行处理，效率较低。
• 多道批处理：一次可以处理多个作业，作业之间可以并行处理，提高了效率和资源利用率。

• 实时操作系统：

  • 具体介绍：实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。为了提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件应及时做出响应并对其进行处理。通常用于需要快速响应的应用场景，如工业控制、医疗设备等。
  • 举例说明：飞行控制系统、工厂自动化系统、医疗监控系统等都是实时操作系统的重要应用领域。例如，汽车的防抱死刹车系统（ABS）就需要实时操作系统来保证其迅速响应，防止车轮锁死。

• 网络操作系统：

  • 具体介绍：网络操作系统不仅支持网络功能，还允许多个计算机在网络中共享资源。它简化了网络管理，提高了用户的便利性。

想象一个大型办公室，其中有多台计算机和一些共享设备，比如打印机和扫描仪。网络操作系统就像一个智能的管理员，它有以下几个主要职责：

1. 高效、可靠的网络通信：这就像办公室里有一套高效的通讯系统，确保信息及时、准确地传递给每个人。网络操作系统确保计算机之间能够快速、稳定地交换数据。

2. 对网络中共享资源的有效管理：想象一下，所有需要共享的设备都集中在一个地方，由一个管理员来管理，谁需要使用某个设备时，管理员会根据需要进行分配。网络操作系统也负责管理网络中的各种资源（如打印机、存储设备等），确保它们可以被多个用户高效地使用。

3. 提供电子邮件、文件传输、共享硬盘和打印机等服务：这就像办公室里有一个共享的文件柜，每个人都可以很方便地存取文件。网络操作系统提供了类似的功能，使得用户可以通过网络轻松地发送电子邮件、传输文件、访问共享硬盘和使用共享打印机。

4. 网络安全管理：假设办公室里有些区域是私人区域，只有特定的人才能进入。网络操作系统也负责管理网络安全，保护网络资源不被未经授权的用户访问或破坏。

5. 提供互操作能力：就像办公室里不同部门的人可以使用同一个文件柜存取文件，尽管他们使用的是不同的办公软件。网络操作系统允许不同平台的计算机和设备在网络中互相协作，共享资源和服务。

接下来我们来看看网络操作系统的三种模式：

• 集中模式：就像办公室里有一个中央服务器，所有的文件和资源都存储在这里，用户需要通过这台中央服务器来访问文件。中央服务器负责所有的工作，用户只需要发送请求即可。

• 客户端/服务器模式：这个模式类似于办公室里有多个服务器，每个服务器负责特定类型的资源或服务。用户（客户端）通过这些服务器来访问不同的资源。例如，一个服务器专门负责电子邮件，另一个服务器专门负责文件存储。用户需要根据需求连接不同的服务器来获取相应的服务。

• 对等模式：这个模式中，每台计算机既可以作为服务器也可以作为客户端。就像办公室里每个人都有自己的文件柜，但也可以互相借用。在这种模式下，网络中的计算机之间是平等的，每个计算机都可以共享自己的资源，同时也能够访问其他计算机的资源。这种模式适用于网络规模较小、不需要中央管理的场合。

• • 举例说明：Windows Server、Linux服务器等都是常见的网络操作系统。这些操作系统可以支持文件共享、打印机共享等功能，使得办公环境中的资源共享变得更为便捷。

• 分布式操作系统：

  • 具体介绍：分布式操作系统管理多个分布在不同节点上的计算机系统，为用户提供一个单一的整体视图。它适用于需要大量计算资源和存储空间的应用场景，如云计算、大数据处理等。
  • 举例说明：Google的GFS（Google File System）和Hadoop的分布式文件系统都是分布式操作系统的实现案例。它们能够在多个服务器之间分配数据处理任务，提高计算效率和数据处理能力。

• 微型计算机操作系统：

  • 具体介绍：微型计算机操作系统用于个人计算机、手机、平板电脑等小型设备。它提供了用户友好的界面和丰富的应用程序支持，方便用户进行各种操作。
  • 举例说明：Windows、macOS、iOS和Android等都是微型计算机操作系统。这些操作系统被广泛应用于个人计算机、智能手机和平板电脑，提供了丰富的应用程序支持和便捷的用户界面。

• 嵌入式操作系统：

  • 具体介绍：嵌入式操作系统专为嵌入式设备设计，具有小尺寸、高可靠性和低功耗的特点。运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制。它适用于家电、汽车、医疗设备等需要特定功能控制的智能设备。
  • 举例说明：FreeRTOS、QNX、VxWorks等都是嵌入式操作系统的例子。它们被应用在智能家居设备、汽车电子系统、工业控制系统等领域，支持设备的特定功能和实时需求。微内核操作系统是一种设计思想，其核心是将操作系统的内核设计得尽可能小，只包含最基本和必要的功能，而将其他可以独立运行的服务和功能放入用户空间中。这种设计使得操作系统更加模块化和灵活，便于扩展和维护。
• 微内核操作系统

  • 形象解释： 想象一下，操作系统是一个城市的大脑。在传统的操作系统设计中，这个大脑要处理城市的每一个细节，比如交通管理、垃圾处理、电力供应等。而在微内核操作系统中，这个大脑只负责最基本的生存任务，比如交通指挥中心的运转、紧急情况协调等核心功能，而像垃圾处理、电力供应这些可以独立运行的服务，则由城市中的其他机构（用户进程）来管理。这样不仅使得城市的大脑更加高效，也使得各个机构可以根据需要独立运作和改进。

    具体例子：

    核心功能（内核态）：进程管理、内存管理、任务调度等。
  • 用户功能（用户态）：文件系统、打印机驱动、网络协议栈等。