操作系统层详解¶
概述¶
操作系统层位于硬件层之上,是计算机系统中最重要的系统软件。它管理计算机的硬件和软件资源,为用户和应用程序提供服务接口。
操作系统的地位¶
操作系统的地位
操作系统是硬件和软件之间的桥梁。
graph TB
A[用户] --> B[应用程序]
B --> C[操作系统]
C --> D[硬件]
style C fill:#4CAF50,stroke:#2E7D32,color:#fff操作系统的功能¶
1. 处理机管理¶
处理机管理
管理CPU资源,合理分配CPU时间。
主要功能:
- 进程控制: 创建、撤销、挂起、恢复进程
- 进程同步: 协调进程执行顺序
- 进程通信: 进程间信息交换
- 进程调度: 分配CPU时间
关键概念:
- 进程: 程序的一次执行过程
- 线程: 进程中的一个执行单元
- 进程状态: 就绪、运行、阻塞
2. 存储器管理¶
存储器管理
管理内存资源,为程序分配内存空间。
主要功能:
- 内存分配与回收
- 地址映射: 逻辑地址到物理地址
- 内存保护: 防止进程相互干扰
- 内存扩充: 虚拟存储技术
内存分配方式:
- 连续分配: 单一连续、固定分区、动态分区
- 非连续分配: 分页、分段、段页式
3. 设备管理¶
设备管理
管理外部设备,控制设备与CPU、内存的数据交换。
主要功能:
- 设备分配与回收
- 设备驱动
- 设备独立性
- 缓冲管理
I/O控制方式:
- 程序查询方式
- 中断方式
- DMA方式
- 通道方式
4. 文件管理¶
文件管理
管理文件资源,提供文件存储和访问功能。
主要功能:
- 文件存储空间管理
- 目录管理
- 文件读写管理
- 文件保护与共享
文件系统类型:
- FAT: File Allocation Table
- NTFS: New Technology File System
- EXT: Extended File System
- HFS: Hierarchical File System
操作系统的特征¶
操作系统特征
操作系统具有以下基本特征:
1. 并发性¶
并发性(Concurrency)
多个程序同时执行。
说明:
- 宏观上: 多个程序同时执行
- 微观上: 多个程序交替执行(单CPU)
2. 共享性¶
共享性(Sharing)
系统资源被多个进程共同使用。
类型:
- 互斥共享: 资源一次只能被一个进程使用
- 同时共享: 资源可被多个进程同时使用
3. 虚拟性¶
虚拟性(Virtual)
将物理实体变为多个逻辑实体。
示例:
- 虚拟内存: 将物理内存扩充为更大的逻辑内存
- 虚拟设备: 将一个物理设备变为多个逻辑设备
4. 异步性¶
异步性(Asynchronism)
进程执行速度不确定。
说明:
- 进程执行顺序不确定
- 进程执行速度不确定
- 需要同步机制保证正确性
操作系统的类型¶
| 类型 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 批处理系统 | 成批处理作业 | 科学计算 |
| 分时系统 | 时间片轮转 | 多用户系统 |
| 实时系统 | 实时响应 | 工业控制 |
| 分布式系统 | 多机协同 | 云计算 |
| 嵌入式系统 | 资源受限 | 智能设备 |
系统调用¶
系统调用
系统调用是操作系统提供给应用程序的接口。
系统调用的类型¶
常见系统调用类型
1. 进程控制¶
- fork(): 创建进程
- exec(): 执行程序
- exit(): 终止进程
- wait(): 等待进程
2. 文件操作¶
- open(): 打开文件
- close(): 关闭文件
- read(): 读文件
- write(): 写文件
3. 设备管理¶
- ioctl(): 设备控制
- read(): 读设备
- write(): 写设备
4. 内存管理¶
- malloc(): 分配内存
- free(): 释放内存
- mmap(): 内存映射
系统调用的过程¶
sequenceDiagram
participant App as 应用程序
participant Lib as 库函数
participant OS as 操作系统
participant HW as 硬件
App->>Lib: 调用库函数
Lib->>OS: 系统调用(陷入内核)
OS->>HW: 执行硬件操作
HW-->>OS: 返回结果
OS-->>Lib: 返回结果
Lib-->>App: 返回结果