第一章 操作系统引论
1.1 操作系统的概念与目标
操作系统（Operating System，OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。其主要目标是：
- 方便性：为用户提供友好的交互界面，使计算机更易于使用。
- 有效性：提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。
- 可扩充性：便于增加新功能和模块，适应硬件与体系结构的发展。
- 开放性：遵循国际标准，支持软硬件兼容与互操作。
1.2 操作系统的发展历程
- 手工操作阶段（无操作系统）：用户独占全机，CPU等待人工操作，资源利用率极低。
- 批处理系统：通过监督程序实现作业的自动过渡，分为单道批处理（顺序执行）和多道批处理（多程序并发，显著提高资源利用率）。
- 分时系统：采用时间片轮转方式，使多个用户通过终端共享主机资源，提供交互能力，例如UNIX系统。
- 实时系统：能够及时响应外部事件，在规定时间内完成处理，分为实时控制系统（如工业控制）和实时信息处理系统（如订票系统）。
- 现代操作系统发展：随着网络化和分布式计算的需求，出现了网络操作系统（如Windows Server）和分布式操作系统（如谷歌的分布式架构），强调资源共享、通信与协同。
1.3 操作系统的基本特性
- 并发性：多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统通过进程管理实现并发执行。
- 共享性：系统资源可供多个并发执行的进程共同使用，包括互斥共享（如打印机）和同时访问（如只读文件）。
- 虚拟性：通过技术将一个物理实体映射为多个逻辑实体，如虚拟存储器（利用硬盘扩展内存）和虚拟处理器（多道程序分时使用CPU）。
- 异步性：进程的执行以不可预知的速度推进，但操作系统必须保证在相同环境下运行结果的一致性。
1.4 操作系统的主要功能
- 处理机管理：包括进程控制、同步、通信和调度，核心是多道程序环境下CPU的高效分配。
- 存储器管理：负责内存分配与回收、地址映射、内存保护与扩充（虚拟内存技术）。
- 设备管理：完成I/O请求，实现设备分配、缓冲管理和虚拟设备功能（如SPOOLing技术）。
- 文件管理：管理外存信息，提供文件存储、检索、共享和保护机制。
- 用户接口：提供命令接口（CLI）、图形用户界面（GUI）和程序接口（API），方便用户与系统交互。
1.5 操作系统的体系结构
- 传统的模块化结构：将功能划分为模块，接口复杂，维护困难。
- 分层式结构：将系统分为若干层，每层基于下层服务，结构清晰但效率可能降低。
- 微内核结构：将核心功能（如进程通信、低级存储管理）置于微内核，其他功能作为服务进程运行，提高了可扩展性和可靠性，代表如Mach和Windows NT。
1.6 计算机系统集成中的操作系统角色
在计算机系统集成中，操作系统处于核心地位，承上启下：
- 硬件抽象层：隐藏硬件细节，为上层软件提供统一的调用接口。
- 资源管理者：集成CPU、内存、I/O设备等硬件资源，实现高效、公平的分配与调度。
- 系统服务提供者：通过系统调用为应用程序提供文件、网络、安全等基础服务。
- 协同与扩展平台：支持多任务并发、网络通信和分布式计算，是构建复杂应用系统（如数据库、Web服务器）的基础平台。
本章小结
第一章奠定了操作系统学习的基础，明确了其作为计算机系统核心软件的地位。从发展历程理解其演进的驱动力，从四大特性把握其本质，从五大功能掌握其核心任务。在计算机系统集成中，操作系统是连接硬件与应用的关键枢纽，其设计与性能直接影响整个系统的效率、稳定性和可扩展性。后续章节将深入探讨进程管理、内存管理等具体功能的实现原理。
