操作系统概览

1. 什么是操作系统？

定义：操作系统（Operating System，OS）是管理计算机硬件和软件资源的系统软件，负责在计算机硬件与应用软件之间提供一个交互接口。
主要职责：
- 提供硬件抽象：使得应用程序不需要直接与硬件打交道。
- 管理系统资源：如CPU、内存、磁盘、网络设备等。
- 为用户和应用程序提供服务：如文件操作、进程调度等。

举例：

当你打开一个程序时，操作系统负责加载它到内存并分配适当的CPU时间进行运行。

2. 操作系统的主要功能

操作系统的核心功能包括但不限于以下几个方面：

进程管理：
- 进程（Process）是正在运行的程序的实例。
- 操作系统负责进程的创建、调度和终止，确保CPU资源被高效且公平地分配给各个进程。
- 进程调度：操作系统通过调度算法（如先来先服务FCFS、最短作业优先SJF、时间片轮转等）来决定哪个进程获得CPU时间。
- 进程同步与互斥：保证多个进程能够并发执行时，不会互相干扰，避免死锁等问题。
示例：
- 在Windows操作系统中，任务管理器显示了所有正在运行的进程。
内存管理：
- 操作系统负责管理计算机的主存（RAM），包括内存的分配、回收、保护以及内存的虚拟化（如分页和分段）。
- 虚拟内存：通过分页技术（Paging）允许程序使用比实际内存更大的地址空间，从而优化程序的内存使用。
- 内存保护：防止一个程序访问或修改其他程序的内存。
示例：
- 操作系统通过虚拟内存让应用程序认为它有独立的内存空间，实际上多个程序共享物理内存。
文件系统管理：
- 操作系统提供文件的存储、访问和管理功能，包括文件的创建、删除、读取、写入、修改等。
- 文件的组织结构：文件系统将数据存储在磁盘上，并为文件提供目录结构（如Windows的NTFS、Linux的ext4）。
示例：
- 在Linux中，文件系统采用树状目录结构，所有文件都从根目录/开始，用户文件存储在/home/username下。
设备管理：
- 操作系统管理计算机的所有外部设备（如硬盘、打印机、显示器、鼠标等），通过设备驱动程序来实现与硬件的通信。
- I/O管理：操作系统使用I/O调度算法高效地处理多个设备的输入输出请求。
- 设备抽象：操作系统为硬件设备提供统一的接口，使得应用程序不需要关心硬件的具体实现。
示例：
- 当你插入USB设备时，操作系统自动检测并安装相应的驱动程序，让应用程序可以方便地使用该设备。
安全与权限管理：
- 操作系统负责管理系统资源的访问权限，防止非法操作和恶意攻击。
- 身份验证与访问控制：通过用户身份验证（如密码）来确保只有授权的用户才能访问特定资源。
- 加密与防火墙：操作系统通过加密技术保障数据安全，并通过防火墙阻止不受信任的网络访问。
示例：
- 在Windows操作系统中，用户通过登录界面输入用户名和密码进行身份验证。

3. 操作系统的历史发展

第一代操作系统（1940-1950年代）：
- 计算机没有操作系统，程序直接控制硬件，操作复杂且容易出错。
- 例：早期的ENIAC和UNIVAC计算机。
第二代操作系统（1950-1960年代）：
- 引入批处理系统（Batch Processing），通过将多个作业批量处理提高计算机资源的利用率。
- 例：IBM的OS/360。
第三代操作系统（1960-1970年代）：
- 引入分时操作系统（Time-sharing Systems），使得多用户可以共享计算机资源。
- 例：Multics、UNIX。
第四代操作系统（1980年代至今）：
- 引入图形用户界面（GUI）、网络操作系统、实时操作系统等。
- 例：Windows、Linux、MacOS、Android。

4. 操作系统的架构

操作系统的架构决定了它的设计、功能模块和扩展性，常见的架构包括：

单核架构（Monolithic Kernel）：
- 所有操作系统的核心功能（如进程管理、内存管理、设备管理等）都在一个内核中实现。
- 优点：高效、直接。
- 缺点：代码庞大，难以扩展和维护。
- 例：Linux。
微内核架构（Microkernel）：
- 仅提供操作系统最基本的功能，其它功能通过用户态进程实现（如设备驱动、文件系统等）。
- 优点：灵活、易于扩展。
- 缺点：性能可能较差。
- 例：Minix、QNX。
模块化架构（Modular Kernel）：
- 结合了单核架构和微内核架构的特点，核心功能模块化，且可以加载和卸载模块。
- 例：现代Linux内核。

5. 常见操作系统及其特点

Windows：
- 面向个人计算机，广泛应用于桌面和企业环境。
- 提供图形用户界面（GUI），支持多任务处理。
- 支持广泛的硬件和软件。
Linux：
- 开源操作系统，广泛应用于服务器、嵌入式系统和开发环境。
- 高度可定制，支持命令行操作和图形界面。
- 有多个发行版，如Ubuntu、CentOS、Debian等。
MacOS：
- 苹果公司开发的操作系统，主要用于Mac系列计算机。
- 提供独特的图形用户界面和高度集成的生态系统。
Android：
- 基于Linux的移动操作系统，广泛应用于智能手机和平板。
- 开源，支持丰富的应用程序和硬件设备。
iOS：
- 苹果公司开发的移动操作系统，专为iPhone、iPad等设备设计。
- 提供优雅的图形用户界面，闭源系统，强大的App生态。