本系列文章力求用最簡潔的語言整理出操作系統的知識框架，幫助求職的同學對操作系統的知識做一個梳理。

1. 操作系統的基本概念

操作系統（Operating System，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源，合理組織調度計算機工作與資源分配，為用戶及其他軟件提供方便的接口和環境的程序集合。

操作系統是運行在“裸機”上的最基本的系統軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。

2. 操作系統的目標與作用

可以從不同的觀點來觀察操作系統的作用。

從資源的管理角度出發，可將操作系統視為計算機系統軟件與硬件資源的管理者；從用戶角度出發，操作系統則是用戶與計算機硬件系統間的接口。此外，操作系統還實現了對計算機資源的抽象，隱藏了硬件的操作細節。

2.1 操作系統作為計算機系統資源的管理者

• 處理機管理

在多道程序環境下，處理機的分配和運行都以進程（或線程）為基本單位。因此，對處理機的管理可歸結為對進程的管理。其主要的職責包括：進程控制、進程同步、進程通信、死鎖處理以及處理機調度等。

• 存儲器管理

存儲器管理的目標是給多道程序提供良好的環境，方便用戶使用以及提高內存的利用率。其主要職責包括內存分配、地址映射、內存擴充等。

• 文件管理

計算機中的信息都是以文件的形式存在的，操作系統中負責文件管理的部分稱為文件系統。文件管理包括文件存儲空間的管理、目錄管理及文件讀/寫管理和保護等。

• 設備管理

設備管理的主要任務是完成用戶的I/O請求，方便用戶對各種設備進行方便地使用，并提高各類設備的利用率。主要包括緩沖管理、設備分配、設備處理和虛擬設備等功能。

2.2 操作系統作為用戶與計算機硬件系統之間的接口

為方便用戶使用計算機，操作系統提供了用戶接口。

操行系統提供的接口分為兩類：一類是命令接口，用戶利用操作命令來組織和控制作業的執行；另一類是程序接口，編程人員可以利用這些接口來請求操作系統的服務。

2.3 操作系統實現了對計算機資源的抽象

沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機，它向用戶提供實際的硬件接口，用戶必須對各類物理接口有一定的了解，并利用機器指令進行編程才能使用，使用難度較大。

為了方便用戶使用計算機硬件，人們在裸機上覆蓋上操作系統，由操作系統提供資源管理功能和各種服務，將裸機改造成功能更強、 使用更方便的機器。操作系統對隱藏了對硬件操作的細節，實現了對計算機資源的抽象。

3. 操作系統的基本特征

操作系統的基本特征包括：并發、共享、虛擬和異步。其中，并發和共享是操作系統的兩個最基本的特征。

3.1 并發

并發是指兩個或者多個事件在同一時間間隔內發生。值得一提的是，并行是指兩個或者多個事件在同一時刻發生。在單處理機操作系統中，進程間只能并發，但設備與設備，設備與進程間是可以并發執行的。

通常，程序是靜態實體。在多道程序系統中，引入進程的目的是為了使多個程序能夠并發執行。進程由程序、數據和PCB構成，是一個能夠獨立運行的活動實體。同時，進程也是資源的基本分配單位，在沒有引入線程的操作系統中，進程也是獨立調度的基本單位。

線程比進程更小，基本不擁有資源。因此，對線程的切換開銷比進程切換小得多，因而有效地提高了并發的程度。關于進程與線程間的討論將在以后的章節進一步展開。

3.2 共享

共享（資源共享）是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。共享進一步可以分為互斥方式共享和同時訪問共享。

• 互斥方式共享

系統中的某些資源，如打印機、磁帶機，雖然它們可以提供給多個進程使用，但為使所打印或記錄的結果不致造成混淆，應規定在一段時間內只允許一個進程訪問該資源。此類資源被稱為臨界資源或者獨占資源。

• 同時訪問共享

系統中還有另一類資源，允許在一段時間內由多個進程在宏觀上“同時”對它們進行訪問。（而在微觀上，這些進程可能是交替地對該資源進行訪問即 “分時共享”）典型的可供多個進程“同時”訪問的資源是磁盤設備，一些用重入碼編寫的文件也可以被“同時”共享，即若干個用戶同時訪問該文件。

3.3 虛擬

”虛擬“是指通過某種技術，把物理實體變為若干個邏輯上的對應物。用于實現虛擬的技術被稱為虛擬技術。

在操作系統中利用兩種方式實現虛擬技術：時分復用，空分復用。時分復用被用來實現虛擬處理機、虛擬設備等功能，空分復用的應用場景則為虛擬磁盤技術與虛擬存儲器技術等。

3.4 異步

在多道程序環境下，允許多個程序并發執行，但由于資源有限，進程只有在獲得所需的資源后才能執行。因此，進程的執行不是一貫到底，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是進程的異步性。

異步性使得操作系統運行在一種隨機的環境下，可能導致進程出現與時間交錯有關的錯誤。但是，只要運行的環境相同，操作系統必須保證多次運行程序，獲得的結果是相同的。