操作系统基础

本部分是一些基础的概念，仅做了解使用。

什么是操作系统

操作系统(Operating System)，是介于硬件资源和应用程序之间的一个系统软件 ，能控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供服务，操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

如果将它理解为“掌控计算机的系统”是否更能精确的描述OS所做的事情呢？

如果要更深入的掌握这个问题，可以问一问：如果没有了操作系统，你使用的PC机还能干什么？或者说，你能够使用你的PC机做什么呢？

操作系统的特征：

• 并发：并发指的是两个或多个事件在同一时间间隔内发生，计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此具有处理和调度多个程序同时执行的能力。

⚠️注意：并行和并发的区别：并发指的是同一时间间隔，并行指的是同一时刻。

• 共享：系统中的资源可以供内存中多个并发执行的进程共同使用。
  • 互斥共享：一段时间内只允许一个进程访问该资源。一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源。
  • 同时访问：一段时间内允许多个进程“同时”访问，“同时”通常是宏观的，实际上是交替的对该资源进行访问。
• 虚拟：把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
• 异步：进程的执行并不是一贯到底的，而是以不可预知的速度向前推进。

操作系统的功能

操作系统位于硬件资源之上，管理硬件资源; 应用程序之下，为应用程序提供服务，同时管理应用程序

1、资源分配，资源回收

计算机必要重要的硬件资源无非就是 CPU、内存、硬盘、I/O设备。 而这些资源总是有限的，因此需要有效管理，资源管理最终只有两个问题：资源分配、资源回收。

资源分配： 体现在CPU上，比如进程调度，多个进程同时请求CPU下，应该给哪一个进程呢？再比如内存分配，内存不够了怎么办？A进程非法访问了B进程的内存地址怎么办？内存内、外碎片问题等。

资源回收： 考虑内存回收后的合并等等。

2、为应用程序提供服务

操作系统将硬件资源的操作封装起来，提供相对统一的接口（系统调用）供开发者调用。

如果没有操作系统，应用程序将直接面对硬件，除去给开发者带来的编程困难不说，直接访问硬件，使用不当极有可能直接损坏硬件资源。

3、管理应用程序

即控制进程的生命周期：进程开始时的环境配置和资源分配、进程结束后的资源回收、进程调度等。

4、操作系统内核的功能

（1）进程调度能力： 管理进程、线程，决定哪个进程、线程使用CPU。

（2）内存管理能力： 决定内存的分配和回收。

（3）硬件通信能力： 管理硬件，为进程和硬件之间提供通信。

（4）系统调用能力： 应用程序进行更高限权运行的服务，需要系统调用，用户程序和操作系统之间的接口。

操作系统的角色

1、管理者

主要分为：CPU管理、内存管理、外存管理、IO管理；以及自己的健壮性和安全性管理。

健壮性，又称鲁棒性，即使很粗鲁的对待程序，它还是可以很好的运行。

2、魔术师:

比如操作系统会让每个进程都觉得自己独占CPU、独占整片物理内存，而实际上每个进程都只是在某一时间段内占用CPU，仅仅只是占用实际一点点物理内存。

用户程序与操作系统的关系

用户程序和操作系统之间是相互调用的关系

1、操作系统的角度

计算机启动后启动的第一个软件就是操作系统，随后启动的所有进程都运行在操作系统之上，使用操作系统提供的服务，同时被操作系统监控，进程结束后也由操作系统回收。

2、进程角度

调用操作系统提供的服务，实现自己的功能。