一、操作系统的定义与地位

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。从程序集合的角度，可以将其定义为：操作系统是一组能有效组织和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度、以及方便用户使用的程序的集合。

操作系统是现代计算机系统中最基本和最重要的系统软件，其他系统软件以及大量应用软件都依赖操作系统的支持才能运行。

二、操作系统的目标

通常在计算机硬件上配置的操作系统，其目标有以下四点：

目标	含义
方便性	提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别，使用户无需了解硬件细节即可使用计算机
有效性	两层含义：①提高系统资源利用率，尽量减少资源空闲；②提高系统吞吐量
可扩充性	能方便地增添新的功能和模块，以及对原有功能进行修改，以适应硬件和体系结构的发展
开放性	系统遵循国际标准，使遵循标准的硬件和软件能够彼此兼容并方便地实现互联

其中，方便性和有效性是设计操作系统时最重要的两个目标。

三、操作系统的作用

操作系统的作用可以从三个角度理解：

1. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

用户可以通过三种方式使用计算机：命令方式（通过键盘输入联机命令）、系统调用方式（在应用程序中调用OS提供的系统调用）、图形/窗口方式（通过图标和窗口操作）。

2. 作为计算机系统资源的管理者

计算机系统中的资源可分为四类：处理机、存储器、I/O设备、文件（数据和程序） 。操作系统针对这四类资源进行有效的管理。

3. 实现对计算机资源的抽象

对于完全无软件的计算机系统（裸机），操作系统通过在其上覆盖多层软件（I/O管理软件 → 文件管理软件 → 窗口软件），逐步隐藏硬件操作细节，最终向用户提供一个便于使用的抽象模型。覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

四、推动操作系统发展的动力

推动OS发展的主要动力包括五个方面：

1. 不断提高计算机系统资源的利用率

2. 方便用户使用

3. 器件的不断更新换代（芯片、内存、外存的发展）

4. 计算机体系结构的不断发展（单核→多核，集中→分布式）

5. 不断提出新的应用需求（如嵌入式OS）

五、操作系统的发展过程

5.1 未配置操作系统的计算机系统

人工操作方式：用户通过纸带或卡片输入程序，用户独占全机，CPU等待人工操作，造成严重的资源浪费和人机矛盾。

脱机输入/输出方式：引入外围机，以磁带为缓冲，先将程序和数据通过外围机输入到磁盘中，CPU需要时再从磁盘读取，减少了CPU的空闲时间。

5.2 单道批处理系统

外存中有一批作业排队等待（批处理），一次取一个作业放入内存运行（单道）。监督程序常驻内存，负责作业调度。主要特征为自动性、顺序性、单道性。优点是比人工方式高效，但存在I/O操作时CPU闲置的缺点。

5.3 多道批处理系统

允许多道程序在内存中同时准备运行。当正在运行的程序暂时不能运行时（如等待I/O），系统自动启动另一道程序运行。具有多道性、无序性、调度性。

• 优点：资源利用率高，系统吞吐量大

• 缺点：平均周转时间长，无交互能力

5.4 分时系统

将CPU时间划分为时间片，以时间片为单位轮流为每个终端用户服务。核心目标是实现人机交互和多用户共享主机。关键问题包括及时接收（多路卡配置）和及时处理（时间片轮转）。

5.5 实时系统

系统能及时响应外部事件的请求，在严格时限内完成事件处理。主要特点是及时性和可靠性。与批处理和分时系统的区别在于：许多实时系统是专用系统，而对响应时间的要求更为严格。

5.6 其他发展

20世纪80年代后，个人计算机操作系统快速发展；网络操作系统和分布式操作系统同期兴起；近年来移动计算时代进一步推动了操作系统的多样化发展。

六、操作系统的基本特征

现代操作系统具有四个基本特征：并发、共享、虚拟、异步。这四个特征之间存在明确的逻辑关系。

6.1 并发（Concurrence）

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上多个程序“同时”运行，微观上则是交替执行。

 并发与并行的区别：并发是同一时间间隔内发生（宏观同时，微观交替），并行是同一时刻发生（真正的同时执行）。

6.2 共享（Sharing）

系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。共享有两种方式：互斥共享（如打印机，一段时间只允许一个进程访问）和同时共享（如磁盘文件，允许多个进程同时读取）。

6.3 虚拟（Virtual）

把一个物理实体转变为若干个逻辑上的对应物。实现方式包括时分复用（如虚拟处理器，多个进程轮流使用CPU）和空分复用（如虚拟存储器，利用外存扩展内存的逻辑容量）。

6.4 异步（Asynchronism）

在多道程序环境下，进程以不可预知的速度向前推进。进程何时执行、何时暂停、何时完成都是不确定的，但操作系统需保证在相同条件下程序执行结果的一致性。

6.5 四者之间的关系

• 并发和共享是操作系统最基本的两个特征，二者互为存在条件：没有并发，共享就失去了对象；没有共享，并发进程就无法协作。

• 虚拟以并发和共享为前提：正是由于多进程并发和资源共享，才需要将物理资源虚拟化。

• 异步是并发和共享的必然结果：多个进程共享有限的资源，导致每个进程的推进速度不可预知。

七、操作系统的主要功能

操作系统的主要功能可以归纳为五大管理功能，外加用户接口：

1. 处理机管理
用于分配和控制处理机，主要包括进程控制、进程同步、进程通信和调度等功能。

2. 存储器管理
负责内存的分配与回收、内存保护、地址映射和内存扩充。

3. I/O设备管理
负责I/O设备的分配（回收）与操纵，包括缓冲管理、设备分配和设备处理。

4. 文件管理
用于实现对文件的存取、共享和保护，包括文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和存取控制。

5. 用户接口
操作系统为用户提供三种接口：命令接口（联机命令和脱机命令）、程序接口（系统调用）、图形接口（GUI）。

八、操作系统的结构设计

8.1 模块化结构

将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块，各模块通过接口进行通信。优点是结构清晰、易于理解和修改；缺点是模块间的接口定义难以做到完全无歧义，模块设计缺乏有序性（被称为“无序模块法”）。

8.2 分层结构

将操作系统所有功能模块按调用次序排列成若干层，每层只能调用其底层提供的功能和服务，各层之间只有单向依赖关系。优点是易保证系统正确性，易扩充和维护；缺点是系统效率降低，因为每执行一个功能需自上而下穿越多个层次。

8.3 微内核结构

微内核结构仅将时钟管理、中断处理、原语操作等与硬件紧密相关的功能保留在内核中，其余功能（如文件系统、设备驱动）以服务器进程的形式运行在用户态。优点是可靠性和安全性更高，内核代码小、易于验证；缺点是系统调用和上下文切换频繁，性能开销较大。

8.4 客户/服务器模式

客户机发送请求，服务器接收并处理请求后返回响应。优点是支持数据的分布处理和存储、便于集中管理、灵活性和可扩充性好；缺点是单服务器故障会导致整个网络瘫痪，重负荷下响应时间延长。

九、小结

第一章“操作系统引论”是学习操作系统的起点，核心要点可以概括为：

• 一个定义：操作系统是管理计算机软硬件资源、方便用户使用的程序集合。

• 四大目标：方便性、有效性、可扩充性、开放性。

• 三大作用：用户与硬件的接口、资源管理者、资源抽象层。

• 四个特征：并发、共享、虚拟、异步，其中并发和共享互为存在条件。

• 五大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口。

• 结构演进：模块化 → 分层 → 微内核/C-S模式，反映了操作系统设计思想从“功能优先”向“可靠性与可维护性优先”的转变。

参考来源说明：本文主要依据汤小丹、汤子瀛等编著的《计算机操作系统》（第四版）第一章内容整理，同时参考了阿里云开发者社区、腾讯云社区等平台上的公开学习笔记