操作系统的概念

• 操作系统的层次结构为：硬件、操作系统、应用程序、用户
• 操作系统对系统资源进行管理，合理组织和调度计算机的工作与资源分配，进而为用户和应用程序提供方便接口的程序集合
• 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件¹

操作系统的特征

• 操作系统具有很多特征，其基本特征是并发、共享²、虚拟、异步

并发

• 计算机在同一时间段内间隔的执行多个进程
• 宏观上看各个进程同时进行，而微观上则使用了分时技术使各个进程交替执行
• 并发是在多道程序环境下存在的
• 与并行的区别：
  • 并发：多个进程在同一时间段内间隔进行，宏观上同时进行，微观上交替进行
  • 并行：多个进程在同一时间段内同时进行，不论从宏观还是微观，都是同时进行的，实现并行需要多流水线技术或者多处理机技术

共享

• 共享主要是针对资源而言的，有两种共享方式，即互斥共享方式和同时共享方式

互斥共享方式

• 这种共享方式下，如果该类型的资源被一个进程占用，则只有等该进程使用完，并归还该资源后，其他进程才可以使用。这种资源叫做临界资源，也叫独占式资源，比如打印机等。

同时共享方式

• 这种方式下，所有资源都可被进程使用，一个进程占用该资源，其他进程也可以占用资源，不需要等到进程归还后再使用，比如向屏幕打印一段字符串，还有磁盘资源等都属于同时共享资源。

虚拟

• 将物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
• 虚拟处理机技术：将一个物理上的真实处理机虚拟为逻辑上的多个处理机，在同一时段内进程可以间隔允许，此处与超线程技术不同³

• 虚拟存储技术：相当于内存空间扩容，将物理上较小的内存空间通过虚拟技术实现大内存空间，在用户看来，计算机可以执行很多的进程，自己的内存空间远大于内存的实际物理空间，其实这内部是采用了虚拟存储技术的
• 虚拟设备技术：最典型的为SPOOLing技术，将独占式资源（设备）改造成了“共享”设备。

异步

• 进程的运行存在很多的不确定因素，比如一个进程在执行中可能会因为缺少某个资源而不能继续运行，而他什么时候可以继续运行是不确定的，这时，操作系统就需要保证该进程在得到相应资源后能继续运行，并输出正确的结果。

操作系统的目标和功能

操作系统作为系统资源的管理者

• 操作系统对系统资源进行管理，包括：
  • 进程管理：其核心是对处理机的管理，因为进程要运行在处理机上，所以对进程管理即可，包含进程与线程机制，进程调度，进程通信，进程同步，进程死锁等。
  • 内存管理：对计算机内存进行管理，包括内存的分配与回收，内存空间扩充，内存保护，内存共享
  • 文件管理：文件不属于计算机硬件部分，文件管理主要包括：文件与目录的结构与实现，以及对磁盘的管理
  • I/O设备管理：主要涉及I/O方式与I/O核心子系统等

操作系统作为用户与计算机系统之间的接口

• 操作系统为用户提供了两种接口：
• 命令接口：用户通过指令来操作计算机执行任务
  • 联机命令接口：主要存在于分时操作系统或实时操作系统，用户输入一条指令，计算机执行一个动作，有很好的交互性（一说一动）
  • 脱机命令接口：主要存在于批处理系统中，用户输入一堆指令（相当于老师步骤的作业清单），由操作系统根据这些指令慢慢的去执行任务（相当于根据作业清单来写作业）（全说完再行动）
• 程序接口：其实也叫做系统调用，用户通过程序来请求系统调用，（C语言中的printf(“Hello World”);就是通过程序间接的完成了系统调用，向屏幕输出了字符串），这种方式用户只能通过程序间接的进行系统调用，在这里要注意与库函数的区别⁴

操作系统用作扩充机器

• 裸机：只有计算机硬件，没有任何软件的机器
• 虚拟机：安装了软件的计算机，或者也叫扩充机器

题目

1.操作系统与用户通信接口通常不包括（）

A. Shell
B. 命令解释器
C. 广义指令
D. 缓存管理指令

答案：D.广义指令就是系统调用命令，而命令解释器属于命令接口，Shell是命令解析器，也属于命令接口。系统中的缓存全部由操作系统管理，对用户是透明的，操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。

2.简述库函数和系统调用的区别和联系

答：库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中。而系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间中，许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行速度要大于使用了系统调用的，因为进行系统调用，会涉及到上下文的切换和状态的切换（用户态转变为内核态）

参考文献

[1] 王道论坛，2021年操作系统考研复习指导[M]. 北京：电子工业出版社，2020.1

最后

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