计算机操作系统学习笔记

一、操作系统概述

（一）定义与功能

操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。其主要功能包括：

进程管理：负责对进程进行创建、调度、终止等操作。例如，在多任务操作系统中，同时运行着浏览器、音乐播放器、文本编辑器等多个进程，操作系统需要合理分配 CPU 时间，让各个进程都能有序执行。
内存管理：管理计算机的内存资源，包括内存的分配、回收以及地址映射等。比如，当启动一个大型游戏程序时，操作系统会为其分配足够的内存空间，确保游戏能够正常运行。
文件管理：对计算机中的文件和目录进行组织、存储、检索和保护。像我们在电脑上保存的文档、图片、视频等各类文件，都由文件管理模块进行管理。
设备管理：负责管理计算机的外部设备，如键盘、鼠标、打印机、硬盘等。例如，当我们插入 U 盘时，操作系统会自动识别并进行相应的驱动加载等操作。

（二）操作系统分类

批处理操作系统：用户将作业成批地提交给计算机，计算机自动依次处理各个作业。这种系统适合处理大量重复性的任务，但用户不能实时干预作业的执行。
分时操作系统：将 CPU 时间划分成时间片，轮流分配给多个用户程序使用。每个用户感觉自己独占计算机，可及时交互。常见的 Unix 系统早期就采用分时技术。
实时操作系统：能在规定的时间内对外部事件做出及时响应并处理。常用于工业控制、航空航天、军事等领域，如飞机的飞行控制系统。
网络操作系统：主要用于管理网络中的资源和通信，提供网络服务，如文件共享、打印共享、用户管理等。Windows Server 系列就是典型的网络操作系统。
分布式操作系统：将多个分散的计算机节点通过网络连接起来，统一管理资源，协调工作。云计算环境中就常采用分布式操作系统。

二、进程管理

（一）进程的概念

进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它由程序段、数据段和进程控制块（PCB）组成。例如，当我们双击打开一个应用程序时，操作系统就会为其创建一个进程，该进程包含了运行程序所需的代码、数据以及用于管理进程状态的 PCB 信息。

（二）进程状态

就绪状态：进程已获得除 CPU 之外的所有必要资源，只要获得 CPU 资源，就可以立即执行。就像运动员在起跑线上准备就绪，只等发令枪响（获得 CPU）就起跑。
执行状态：进程正在 CPU 上运行。此时进程占用 CPU 资源，执行程序指令。
阻塞状态：进程因等待某一事件（如 I/O 操作完成、等待信号量等）而暂时无法执行。比如，当进程需要从硬盘读取数据时，在数据未读取完成前，进程会进入阻塞状态。

（三）进程调度

先来先服务（FCFS）调度算法：按照进程到达的先后顺序进行调度，先到达的进程先获得 CPU 资源。这种算法简单公平，但对于短进程可能不太友好，可能导致短进程等待时间过长。
短作业优先（SJF）调度算法：优先调度运行时间最短的进程。可以提高系统的整体效率，但难以准确预知进程的运行时间，且可能导致长进程饥饿（长时间得不到调度）。
时间片轮转调度算法：将 CPU 时间划分成固定大小的时间片，就绪队列中的进程轮流在 CPU 上运行一个时间片。若时间片结束时进程未完成，就回到就绪队列末尾等待下一次调度。这种算法适用于分时系统，能保证每个进程都有机会得到 CPU 时间。
优先级调度算法：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先获得 CPU 资源。可以根据进程的重要性、资源需求等因素确定优先级，但可能会出现低优先级进程长期得不到调度的情况。

三、内存管理

（一）内存分配方式

静态分配：在程序运行前，就为其分配固定大小的内存空间，在程序运行过程中，内存空间大小不再改变。这种方式简单，但内存利用率较低，可能导致内存浪费。例如早期的一些简单程序可能采用静态分配方式。
动态分配：在程序运行过程中，根据程序的实际需求动态地分配和回收内存。可以提高内存利用率，但实现相对复杂，需要操作系统进行有效的管理和控制。现代操作系统大多采用动态分配方式。

（二）虚拟内存技术

虚拟内存是操作系统利用硬盘空间模拟的一块内存区域，使得程序可以运行在比实际物理内存更大的空间中。其原理是将暂时不用的内存数据存储到硬盘上，当需要时再调回内存。比如，我们在运行一个大型游戏时，游戏程序的代码和数据可能很大，超过了物理内存容量，但通过虚拟内存技术，游戏可以正常运行。虚拟内存技术包括请求分页存储管理、请求分段存储管理等方式。

（三）页面置换算法

当内存空间不足，需要将一些页面置换出去时，就要用到页面置换算法。常见算法有：

最佳置换算法（OPT）：理论上最优的算法，它选择未来最长时间内不会被访问的页面进行置换。但由于无法预知未来，该算法实际难以实现，主要用于理论分析和性能比较。
先进先出（FIFO）置换算法：按照页面进入内存的先后顺序进行置换，先进入的页面先被置换出去。这种算法简单，但可能会置换掉经常使用的页面，导致性能下降。
最近最少使用（LRU）置换算法：选择最近一段时间内最少使用的页面进行置换。它基于局部性原理，认为最近少用的页面未来也可能少用。实现 LRU 算法可以采用栈、计数器等多种方式。

四、文件管理

（一）文件系统结构

文件系统通常采用层次化的目录结构，如树形目录结构。根目录下可以包含多个子目录和文件，子目录下又可以进一步包含子目录和文件。这种结构类似于我们电脑中的文件夹结构，方便用户对文件进行分类管理和查找。例如，在 Windows 系统中，C 盘根目录下有 “Program Files”“Windows” 等子目录，每个子目录下又有众多文件和子目录。

（二）文件的逻辑结构

顺序文件：文件中的记录按照顺序依次排列，读写操作按顺序进行。比如文本文件，通常是顺序存储的，从文件开头依次读取内容。
索引文件：为文件建立一个索引表，索引表中记录了文件记录的关键字和对应的物理地址。通过索引可以快速定位到需要的文件记录，适用于频繁进行随机访问的文件。
索引顺序文件：结合了顺序文件和索引文件的优点，先对文件记录进行分组，为每组建立一个索引项，既保持了顺序文件的顺序特性，又可以通过索引快速定位组内记录。

（三）文件的物理结构

连续分配：在磁盘上为文件分配一组连续的物理块，文件的逻辑块号与物理块号是连续对应的。这种分配方式简单，读写速度快，但不利于文件的动态增长和删除，容易产生磁盘碎片。
链接分配：采用链表的方式将文件的各个物理块链接起来。分为隐式链接和显式链接，隐式链接中每个物理块中包含指向下一个物理块的指针；显式链接则通过一张文件分配表（FAT）来记录文件各物理块的链接关系。链接分配便于文件的动态增长和删除，但不适合随机访问。
索引分配：为每个文件建立一个索引块，索引块中记录了文件各个物理块的地址。通过索引块可以快速找到文件的物理块，既适合顺序访问，也适合随机访问。

五、设备管理

（一）I/O 设备分类

输入设备：用于向计算机输入数据和信息，如键盘、鼠标、扫描仪等。键盘通过按键操作将字符信息输入计算机，鼠标则用于控制屏幕上的光标位置和进行选择操作。
输出设备：将计算机处理的结果输出显示或存储，如显示器、打印机、音箱等。显示器将计算机处理后的图像、文字等信息展示给用户，打印机则将文档等内容打印到纸张上。
存储设备：用于存储数据，如硬盘、U 盘、光盘等。硬盘是计算机中最主要的存储设备，用于长期存储操作系统、应用程序和用户数据等。

（二）I/O 控制方式

程序直接控制方式：由 CPU 直接控制 I/O 设备的数据传输，CPU 不断查询 I/O 设备的状态，直到数据传输完成。这种方式简单，但 CPU 利用率低，在数据传输过程中 CPU 一直处于等待状态。
中断驱动方式：当 I/O 设备完成数据传输准备工作时，向 CPU 发送中断请求，CPU 响应中断后进行数据传输操作。相比程序直接控制方式，提高了 CPU 利用率，CPU 无需一直查询设备状态。
DMA 方式（直接内存访问）：在 DMA 控制器的控制下，I/O 设备直接与内存进行数据传输，无需 CPU 干预。只有在数据传输开始和结束时才需要 CPU 进行一些初始化和收尾工作，大大提高了数据传输效率和 CPU 利用率。
通道方式：通道是一种特殊的处理器，专门用于管理 I/O 操作。通道可以独立执行通道程序，控制 I/O 设备与内存之间的数据传输，进一步减轻了 CPU 的负担，适用于大型计算机系统。

（三）设备分配与调度

设备分配：操作系统根据进程的请求，将 I/O 设备分配给相应的进程使用。分配方式有静态分配和动态分配，静态分配在进程运行前就分配好设备，直到进程结束才收回；动态分配则在进程运行过程中根据需要分配设备。
设备调度：当多个进程请求使用同一设备时，操作系统需要按照一定的策略进行调度，决定哪个进程先使用设备。常见的调度算法有先来先服务、优先级调度等，原理与进程调度类似。