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任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合#xff0c;称为操作系统(OS)。
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任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合称为操作系统(OS)。
其核心功能如图片所示包括 内核 (Kernel) 内核是操作系统的核心部分被认为是狭义上的操作系统直接与硬件打交道。负责进程管理、内存管理、文件管理和设备管理。 在图片中内核被描述为包含关键功能例如 进程管理如何调度任务、切换任务、分配 CPU 时间片。内存管理分配和释放内存、提供虚拟内存功能。文件管理存储和访问磁盘上的文件。驱动管理硬件与系统的接口。 其他程序 除了内核外操作系统还包括辅助用户交互和程序开发的组件例如函数库、Shell 程序等。 操作系统的设计目的 对下管理硬件资源不是目的是手段
如图所示操作系统与硬件直接交互管理所有软硬件资源。它可以屏蔽底层硬件的复杂性为应用程序提供统一的接口。例如
CPU 时间的分配内存的分配与回收文件的读取与写入。
对上为用户和应用程序提供环境目的服务用户
操作系统为用户程序提供执行环境包括
抽象硬件 屏蔽底层复杂的硬件接口系统调用 提供基础功能调用接口例如文件操作、内存分配等。
图片中通过银行窗口的比喻形象地说明了这一点
用户用户程序与银行柜员操作系统交互柜员接收用户指令完成后台操作银行后台资源硬件被柜员高效管理用户无需直接接触。 操作系统如何通过分层结构和接口设计实现资源管理和安全性
软件硬件系统结构层状结构
理解
软件和硬件系统是层次化的系统的不同层次之间通过接口进行交互。硬件位于底层它是最基础的物理资源直接负责执行指令和存储数据。操作系统位于硬件之上充当中间层负责管理硬件资源并为上层应用程序提供接口。应用程序在最上层运行用户通过应用程序与硬件进行间接交互。
例子
用户通过一个文本编辑器应用程序保存文件实际调用了操作系统的文件系统接口最终将数据写入硬件磁盘。这种分层结构让硬件的复杂性被操作系统屏蔽开发者只需关注高层的接口而不需要了解硬件的底层操作。 访问操作系统必须使用系统调用
理解
系统调用是应用程序与操作系统交互的桥梁。通过系统调用应用程序可以访问操作系统管理的资源如文件、网络、内存等。系统调用本质上就是操作系统提供的一组函数通过这些函数应用程序可以向操作系统发出请求完成特定的任务。
例子
程序需要读取文件时会通过调用系统调用 read() 请求操作系统打开文件、读取内容。这些调用本质上是程序员使用的函数但这些函数是操作系统实现的而不是直接操作硬件。
关键点
系统调用是操作系统对外暴露的功能接口它们是固定的程序必须通过这些接口访问硬件资源。 访问硬件时必须穿越整个软件硬件体系结构
理解
如果程序需要访问硬件如读取硬盘、打印文件等操作必须逐层向下传递 程序向操作系统发出系统调用请求。操作系统内部将请求映射到具体的硬件驱动程序。硬件驱动直接控制硬件完成任务。 这种机制确保了硬件操作的安全性和一致性因为操作系统充当了硬件和程序之间的“守门人”。
例子
一个浏览器需要加载网页最终会访问网络适配器硬件发送请求。这个过程包括 浏览器调用系统的网络 API操作系统将请求传递给网络驱动程序驱动程序控制网络硬件发送数据包。
关键点
程序无法直接访问硬件必须经过操作系统。操作系统确保硬件资源的安全和公平使用。 库函数可能底层封装了系统调用
理解
库函数是对系统调用的进一步封装提供了更高级、更易用的功能。底层的系统调用是基础功能而库函数对其进行了扩展和优化。通过调用库函数开发者无需直接与复杂的系统调用打交道而是通过更简单的接口完成同样的任务。
例子
C 语言的 printf() 函数用于输出内容到终端它底层调用了操作系统的 write() 系统调用来完成实际的输出。类似地标准库函数 fopen() 封装了文件操作的系统调用使开发者可以更简单地处理文件。
关键点
库函数是对系统调用的进一步抽象提供了更方便的功能同时隐藏了底层实现细节。 小结
这四个要点说明了操作系统作为用户程序与硬件之间的桥梁如何通过分层结构和接口设计实现资源管理和安全性
软件硬件的层状结构让复杂的硬件操作被逐层抽象。系统调用是访问操作系统的唯一合法方式程序必须通过它请求资源。程序访问硬件时必须经过操作系统的管理确保硬件安全和公平。库函数对系统调用进行了封装使开发更加方便。
这种机制体现了操作系统设计的核心思想——通过抽象和封装隐藏复杂性提供易用性同时确保安全性和稳定性。
操作系统的核心功能 管理。 在整个计算机软硬件架构中操作系统的定位是一款纯正的“搞管理”的软件。 决策执行
管理时管理与被管理者可以不需要见面 一个学校的校长管理者不需要直接与每个学生被管理者接触就可以管理整个学校。这是因为校长可以通过辅导员或者班主任提供的学生数据如成绩、出勤率等来完成管理。
管理者如操作系统和被管理者如进程、内存、文件等之间的交互并不需要直接接触。它们通过数据描述信息来完成管理而不是通过面对面或者直接交互。换句话说操作系统不需要直接干预具体的硬件或程序只需要维护这些被管理对象的状态和描述信息然后根据需要进行操作。
管理者和被管理者根据“数据”进行管理
数据是管理的核心。操作系统不直接操作资源本身而是通过对资源数据的读取和操作来实现管理。
管理的核心是数据管理者通过记录和操作被管理者的相关数据实现对其的控制。在操作系统中这些数据通常存储在内核中描述了被管理资源的状态和属性。
不需要见面由中间层获取得到数据
在学校中校长通过辅导员获取学生的信息而不需要直接接触每个学生。辅导员就像操作系统中的“中间层”负责收集数据并提供给校长。
操作系统作为“中间层”负责采集和维护资源数据通过这些数据为用户程序提供服务。被管理者如硬件设备、程序本身并不会直接暴露其内部信息而是通过操作系统的中间层将这些数据呈现给管理者。 将上文所述例子进行延伸如果学生的数量过多则会造成管理的不便所以就会使用数据结构将学生的信息进行存储用结构体将一个学生的信息进行存储然后将所有结构体进行联系。
同样操作系统对管理的进程、内存、文件等就可以将他们的状态和描述信息进行存储在结构体中然后使用合适的数据结构进行管理进行增删查改。 系统调用与库函数
系统调用 操作系统要向上提供服务。 但是操作系统不信任任何用户所以会有系统调用的概念。 操作系统对外暴露的接口称为系统调用是用户程序与操作系统交互的桥梁。
通过接口可以降低操作系统和用户之间的耦合度不同的服务对应不同的接口提高安全性。
例如
文件操作创建、删除、读写文件进程操作创建进程、终止进程内存操作分配和释放内存。
库函数 只要库函数最终使用了硬件则该库函数一定使用了系统调用。 系统调用直接提供基础功能但对于用户来说使用这些功能可能过于复杂。因此开发者会基于系统调用开发封装好的库函数。
比如软件的使用中我们只需要点击对应的按键即可执行程序员已经封装好的系统调用。程序员用已经把系统调用封装好的库函数再次进行封装成接口提供给用户使用这就是对上进行服务。
例如
printf() 是基于 I/O 系统调用封装的函数标准 C 库如 libc对操作系统的功能进行了更高层次的抽象。 管理的本质 描述和组织。 比如大部分高级语言都可以面向对象编程以及有类似于STL库的使用。面向对象将事物用结构体进行封装的过程实际上就是描述用STL库使用数据结构将结构体进行管理就是将描述后的内容进行组织。
描述被管理对象 使用数据结构如结构体对资源进行描述。例如 文件描述符进程控制块PCB。 组织被管理对象 使用数据结构如链表、队列将资源高效组织起来。例如 进程调度使用的就绪队列内存管理中的空闲链表。
这种管理方式贯穿于操作系统的各个模块是操作系统高效运行的核心思想。 承上启下操作系统的核心价值
操作系统的核心价值体现在
对资源的统一管理和抽象 提供统一的接口屏蔽硬件复杂性保障用户程序的安全与高效 防止资源冲突提高系统性能。
操作系统的管理方法描述 组织也贯穿其设计理念
描述资源结构体组织资源链表等高效数据结构。 通过以上详细的讲解我们可以更好地理解操作系统在计算机系统中的定位它既是硬件资源的管理者又是用户与硬件交互的桥梁。无论是进程管理、内存管理还是文件管理操作系统的设计哲学始终围绕“管理”展开。
