操作系统 (OS) 的功能

什么是操作系统？

操作系统是用户和硬件之间的连接媒介。它提供了一个环境，让用户可以高效地使用所有硬件。它还确保所有计算机资源能够以高效、顺畅的方式被使用，不会出现任何问题。例如，就像上级向下级传达指令一样，用户向操作系统发出指令。

操作系统的目的是什么？

对于计算机软件和软件开发来说，操作系统具有显著的优势。如果没有操作系统（一种专门为运行计算机而创建的系统软件），每个应用程序都需要有自己的用户界面（UI）以及管理底层计算机系统软件所有低级功能（如磁盘存储和网络接口）所需的大量代码。

许多系统级软件功能，例如发送网络数据包或在标准输出设备（如显示器）上显示文本，都由操作系统来管理。系统软件在应用程序和底层硬件及计算机操作之间充当了中介。由于操作系统 (OS) 提供了一种标准化且可重复的方式来与它们通信，应用程序不需要了解硬件或其他系统级操作的细节。

这不仅大大减少了设计和调试应用程序所需的时间和代码，还确保了用户可以通过一个单一且易于理解的操作系统界面来控制、配置和管理系统软件和硬件。

操作系统的功能

操作系统提供了多种功能，下文将进行讨论。

控制系统性能

操作系统最重要的功能之一是控制系统的健康状况。为此，它监控和观察从请求服务到提供所请求服务之间的延迟时间。这个延迟时间被尽可能地缩短，以提高系统的整体性能。

文件系统管理

操作系统控制着硬盘等存储设备上的数据组织和存储。它管理文件的读取、写入、访问控制以及创建和删除。为了确保文件操作的顺利进行，它会跟踪文件目录、路径和信息（如创建日期、大小等）。

用户界面 (UI)

操作系统提供了一个用户界面，允许用户与计算机进行交互。这可以是像 Linux 终端这样的命令行界面 (CLI)，也可以是像 Windows 这样的图形用户界面 (GUI)。

多道程序和多任务处理

多任务处理使得多个应用程序可以同时运行，并在它们之间快速切换。

为了最大化资源效率，多道程序允许多个程序共享CPU时间并在内存中运行。

内存管理

在计算机系统中，我们有主存储器，也称为主内存，它是由字节序列构成的。主内存中的每个字节都有一个唯一的地址，这有助于检查它是否被占用。要在计算机系统中执行每个程序，它都必须位于主内存中。操作系统可以轻松检查主内存的哪些字节是空的，哪些不是。因此，它为主内存分配程序执行所需的空间，当程序完成或终止时，它会释放内存。操作系统还记录了哪个字节的内存分配给了哪个程序。

要了解更多信息，请参考 https://tpointtech.cn/os-memory-management-introduction

设备管理

操作系统管理计算机系统与连接到系统I/O端口的外围设备之间的通信。外围设备使用各自的驱动程序与系统进行通信。操作系统确定哪个程序或进程通过哪个连接和设备访问。它还确保当一个程序被执行或终止时，设备与计算机系统之间的通信将停止。

协调其他软件和用户

系统中还有其他软件，由操作系统进行协调，以便用户可以高效地访问它们，例如汇编程序、编译器等。

进程管理

进程是正在执行中的程序。操作系统管理所有进程，以便每个进程都能获得特定的CPU时间来执行自己，并且每个进程的等待时间会更短。这种管理也称为进程调度。

为了进行进程调度，操作系统使用各种算法

• 先来先服务 (FCFS) 算法：在此算法中，先到达的进程首先由CPU提供服务，直到其完成。它是一种非抢占式算法，这意味着在完成之前不能被终止。
• 最短作业优先 (SJF) 算法： 具有最短突发时间（执行时间）的进程将首先由CPU提供服务。
• 最长作业优先 (LJF) 算法： 此算法基于一种现象，即执行时间最长的进程将首先由处理器提供服务。
• 轮询调度 (Round Robin) 算法： 在此算法中，为每个进程分配了特定的时间量子。如果进程在时间量子内未执行完毕，则将其发送到等待队列中等待下一次轮转。
• 优先级调度算法： 根据不同标准为进程分配优先级，并按最高优先级进行调度。标准可以是突发时间或到达时间等。

资源分配

操作系统管理计算机系统的所有资源。它通过管理哪个资源被哪个进程使用以及使用多长时间来确保所有资源的利用。

信息和资源保护

机器上所有可用的数据和信息都受到操作系统的保护。如果有任何外部资源试图攻击计算机资源并窃取数据，操作系统会帮助阻止攻击。

处理I/O操作

像鼠标、键盘、打印机等输入/输出设备是外部I/O设备，每个设备的性质都不同。操作系统适当地管理这些设备的输入和输出操作。

作业优先级

作业优先级的任务是创建和提升。它决定了在计算机系统中首先应该执行什么操作。

特殊控制程序

操作系统通过特定的控制程序对任务进行自动更改。这些程序被称为特殊控制程序。

资源和作业的调度

操作系统为计算机系统的设备准备要执行的任务列表。操作系统决定哪个设备用于哪个任务。当计算机系统中要同时执行多个任务时，这个操作会变得复杂。操作系统的调度程序确定任务完成的顺序。它根据用户给出的执行任务的优先级来执行这些任务。它根据设备的优先级来提供任务。

安全性

计算机安全是任何操作系统的一个非常重要的方面。操作系统的可靠性取决于它为我们提供了多好的安全性。现代操作系统使用防火墙来保证安全。防火墙是一个安全系统，它监控计算机中发生的每一项活动，并在出现任何威胁时阻止该活动。

监控活动

操作系统在各种进程中负责计算机系统的活动。如果出现错误，它会中止程序。操作系统会就输入/输出设备中的任何意外错误向用户发送即时消息。当操作系统在多用户操作的系统中使用时，它还为系统提供安全性。这样，非法用户就无法从系统中获取数据。

作业记账

它跟踪各个作业和用户使用的时间和资源。

常见问题/FAQs

问题 1. 什么是操作系统 (OS)？

答：操作系统是用户和硬件之间的连接媒介。它帮助用户高效地访问硬件，使用户能够与系统交互并有效管理硬件资源。

问题 2. 操作系统的核心功能是什么？

答：操作系统的核心功能如下

• 内存管理
• 进程管理
• 文件系统管理
• 设备管理
• 安全和访问控制
• 作业调度
• 系统性能监控

问题 3：操作系统中的内存管理是什么？

答： 内存管理涉及跟踪和分配主内存（RAM）给活动进程。操作系统的目的是确保适当的内存分配，并在作业完成后再次释放内存。

问题 4. 操作系统如何处理输入/输出 (I/O) 设备？

答： 操作系统使用驱动程序管理不同I/O设备（如打印机、键盘）与系统之间的通信，并确保在进程期间对设备进行适当的分配和释放。