参考书籍为汤老师经典教材，本博客旨在作为自己学习笔记并与大家分享。

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1. 操作系统的目标和作用

1.1 目标：

方便、有效、可扩充、开放性；

1.2 作用：

1. 作为用户和计算机硬件系统之间的接口：用户可以通过1）命令方式2）系统调用方式3）图形、窗口方式 使用计算机
2. 作为计算机系统的管理者：
3. 实现了对计算机资源的抽象：

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2. 操作系统的发展过程

2.1 单道批处理

单道批处理系统是在解决人机矛盾以及 CPU 与 I/O 设备速度不匹配问题的过程中形成的。换言之，批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量。但这种单道批处理系统仍然不能很好地利用系统资源，故现已很少使用。该系统的主要特征如下：

1. 自动性。在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地依次运行，而无需人工干预。
2. 顺序性。磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序，在正常情况下应完全相同，亦即先调入内存的作业先完成。
3. 单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。

2.2 多道批处理

在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，引入了多道程序设计技术，由此而形成了多道批处理系统(Multiprogrammed Batch ProcessingSystem)。
OS 中引入多道程序设计技术可带来以下好处：

1. 提高 CPU 的利用率。
2. 可提高内存和 I/O 设备利用率。
3. 增加系统吞吐量。

优缺点如下：

1. 资源利用率高。由于在内存中驻留了多道程序，它们共享资源，可保持资源处于忙碌状态，从而使各种资源得以充分利用。
2. 系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：第一，CPU 和其它资源保持“忙碌”状态； 第二，仅当作业完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。
3. 平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
4. 无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，这对修改和调试程序是极不方便的。

2.3 分时系统

分时系统(Time Sharing System)与多道批处理系统之间有着截然不同的性能差别，它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。它被经常应用于查询系统中，满足许多查询用户的需要。分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系统与多道批处理系统相比，具有非常明显的不同特征：

1. 多路性。允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流运行一个时间片。多路性即同时性，它提高了资源利用率，降低了使用费用，从而促进了计算机更广泛的应用。
2. 独立性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此，用户所感觉到的，就像是他一人独占主机。
3. 及时性。用户的请求能在很短的时间内获得响应。此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常仅为 1～3 秒钟。
4. 交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表现在：用户可以请求系统提供多方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。

2.4 实时系统

所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(Real Time System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

参考：什么叫实时操作系统，什么叫非实时操作系统，两者有什么区别？

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3 操作系统的基本特性

并发、共享、虚拟和异步这四个基本特征。其中，并发特征是操作系统最重要的特征，其它三个特征都是以并发特征为前提的。

3.1 并行与并发

并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。简单地说：

  

打个比喻

两个人在喂两个孩子吃饭，这叫并行，因为是同时进行的 
如果是一个人喂两个孩子吃饭，轮流着每人喂一口，这叫并发，因为是交替进行的

引用版权声明：https://blog.csdn.net/zhao18933/article/details/46699931

帮助理解并行并发：线程的并发、并行以及高并发

3.2 共享性

在操作系统环境下，所谓共享(Sharing)，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用，相应地，把这种资源共同使用称为资源共享，或称为资源复用。目前主要实现资源共享的方式有如下两种：互斥共享；同时访问。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。

3.3 虚拟技术

操作系统中的所谓“虚拟”(Virtual)，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，仅是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。在操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术，即时分复用技术和空分复用技术。

3.4 异步性

进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性(Asynchronism)。

异步性是指进程以不可预知的速度向前推进。内存中的每个进程何时执行,何时暂停,以怎样的速度向前推进,每道程序总共需要多少时间才能完成等,都是不可预知的。
是程序并发执行时，程序之间的相互制约关系导致了并发程序这种“执行——暂停——执行”这种间断性的活动规律。

比如，当正在执行的进程提出某种资源请求时，如打印请求，而此时打印机正在为其他某进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。可见，由于资源等因素的限制，进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。

异步性就是描述进程这种以不可预知的速度走走停停、何时开始何时暂停何时结束不可预知的性质。

也就是说，如果传统意义上的程序没有在操作系统中为之配备进程控制块（PCB），没有用它来描述进程基本情况和活动过程，进而控制和管理进程，这样就会使程序在并发执行的时候失去其封闭性，也失去了可再现性。
但是，如果操作系统采用了进程同步机制，虽然程序具有异步性（走走停停、以不可预知的速度前进），但仍能保证进程并发执行的结果是可再现的。

所以，只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的。

引用版权声明：https://blog.csdn.net/liuchuo/article/details/51986221

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4 操作系统的主要功能

4.1 处理机管理功能

• 进程控制
• 进程同步
• 进程通信
• 调度

4.2 存储器管理功能

• 内存分配
• 内存保护
• 地址映射
• 内存扩充

4.3 设备管理功能

• 缓冲管理
• 设备分配
• 设备处理

4.4 文件管理功能

• 空间管理
• 目录管理
• 文件的读写保护

4.5 操作系统与用户之间的接口

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5 OS结构设计

5.1 传统OS结构

5.2 客户/服务器模式 C/S

5.3 面向对象的程序设计

5.4 微内核OS结构

微内核描述

1) 足够小的内核；2) 基于客户/服务器模式；3) 应用“机制与策略分离”原理；4) 采用面向对象技术。

微内核基本功能：

1) 进程(线程)管理；2) 低级存储器管理；3) 中断和陷入处理。

微内核优点：

1) 提高了系统的可扩展性；2) 增强了系统的可靠性；3) 可移植性；4) 提供了对分布式系统的支持；5) 融入了面向对象技术。

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