操作系统操作系统Operating SystemOS是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配以提供给用户和其他软件方便的接口和环境它是计算机系统中最基本的系统软件。本 质计算机最基础的系统软件简称 OS。核心功能管控计算机软硬件资源统筹调度分配系统资源与任务。作 用为用户、各类应用软件提供使用接口与运行环境。操作系统的作用1.操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序,同时也是计算机系统的内核与基石2.操作系统是控制其他程序运行,管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件的集合3.操作系统负责诸如管理与配置内存决定系统资源供需的优先次序控制输入与输出设备操作网络与管理文件系统等基本事务操作系统管理计算机系统资源控 制 和 协 调 计 算 机 及外部设备,支持应用软件开发和运行的系统,是无 须 用 户 干 预 的 各 种 程 序 的 集 合,主 要 功 能 是调度、监控和维护计算机系统;负责管理计算机系统中各种独立的硬件,使得它们可以协调 工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及底层每个 硬件是如何工作的,它为用户提供了一个方便 安全可靠的工作环境和界面下图为操作系统在计算机系统中的位置操作系统的目标操作系统的核心目标可以概括为两句话“向上提供便利向下管理资源”。具体拆解为以下三大功能维度1. 资源管理者作为资源管理者其核心目标主要为提高资源利用率操作系统是计算机硬件资源的“大管家”负责在多个竞争的程序之间合理、公平、高效地分配CPU时间、内存空间、磁盘空间和外部设备。• 处理机管理CPU以进程/线程为单位负责创建、撤销、调度和同步。核心目标是让CPU既不空闲也不过度拥挤通过调度算法如Linux的CFS完全公平调度器让多道程序“并发”运行感觉像在“并行”。• 存储器管理内存负责内存的分配与回收、地址映射将逻辑地址转为物理地址以及内存保护。核心目标是让有限的内存能装下更大的程序通过虚拟内存、交换技术并保证进程间互不干扰。• 文件管理外存/信息负责文件的存储空间管理、目录结构、读写权限和保护。核心目标是让用户能按名存取信息而不用关心数据具体存储在硬盘的哪个柱面或扇区上。• 设备管理I/O设备负责管理键盘、鼠标、网卡、打印机等。核心目标是屏蔽设备的物理差异通过缓冲区Buffer、缓存Cache和中断机制提高CPU与慢速I/O设备之间的并行度。2. 软硬件接口作为用户与硬件的接口其核心目标主要为方便用户使用如果没有操作系统程序员需要直接操作复杂的硬件寄存器。操作系统提供了三层“外壳”让用户能够轻松驾驭硬件• 命令接口给“人”用◦ 联机/交互式用户敲一条命令如 ls系统立即执行并返回结果说一句做一句。◦ 脱机/批处理用户把所有命令写进一个脚本文件.sh / .bat操作系统一次性按顺序执行完说一堆做一堆。• 程序接口给“程序”用即系统调用System Call。这是应用程序与操作系统内核打交道的唯一入口如 read()、write()、open()。它像是一扇“安全门”防止应用程序随意破坏硬件。• 图形用户接口GUI现代操作系统Windows/macOS/Linux桌面提供的窗口、图标、菜单本质上是将复杂的命令封装成点击动作其底层最终依然会调用系统调用。3. 操作底层硬件作为最接近硬件的层次其核心目为实现硬件扩展与抽象这是操作系统最底层的使命。• 裸机指没有安装任何软件的纯物理硬件CPU、内存、硬盘它只能识别高低电平信号0和1普通用户无法直接在裸机上编程。• 虚拟机/扩充机器操作系统在裸机之上覆盖了驱动程序和内核将丑陋的硬件寄存器如往0x3F8端口写数据封装成了“文件”、“进程”、“网络套接字”等逻辑概念。• 本质操作系统屏蔽了底层硬件的物理细节把一台难用的物理机器扩充、转变为一台易于理解和使用、功能更强大的逻辑机器。我们敲键盘打字看到屏幕上显示文字这背后全是操作系统在替我们“欺骗”硬件。总结1. 方便性让用户和程序员不需要掌握复杂的硬件时序和寄存器地址就能使用计算机。2. 有效性通过调度和资源复用让昂贵的CPU、内存等硬件设备尽可能保持忙碌提高系统的吞吐量和响应速度。一句话记忆法操作系统就是“硬件资源的CEO”——对内负责分权管理资源对外负责包装提供接口最终目标是把“冰冷的电子元件”变成“顺手的工具”。