什么是操作系统

引言

在现代计算机领域，操作系统（OS）被认为是“系统软件”，主要充当计算机硬件和用户之间的桥梁。它还负责管理硬件资源，并为应用程序的运行提供环境。没有操作系统，计算机就无法运行，因为它控制并协调着各种程序对硬件的使用。

什么是操作系统？

“操作系统（OS）主要被认为是必不可少的系统软件，它控制和管理计算机的硬件和软件资源。它充当用户、他们使用的应用程序以及计算机硬件之间的桥梁，使一切都能顺利协同工作。”

• 其核心在于，操作系统主要负责资源管理，它分配内存，管理 CPU 时间，控制输入/输出设备，并确保程序和应用程序在不相互干扰的情况下运行。
• 操作系统还负责管理存储设备上的文件和目录，组织数据并确保其安全。尽管如此，它还控制对文件的访问，并确保只有授权的用户或程序才能打开或修改它们。
• 它还负责系统的安全，保护系统免受未经授权的访问和恶意软件的侵害。

另一个最重要的关键功能就是“进程管理”。操作系统会跟踪所有活动的程序，确保它们以有组织的方式运行，分配资源并管理多任务处理。如果没有它，用户将不得不手动控制每个程序如何使用计算机的资源。

• 操作系统的例子主要包括 Windows、macOS、Linux、Android 以及 iOS。每种操作系统主要设计用于在特定类型的设备上发挥最佳性能，例如 PC、智能手机或服务器。

总而言之，操作系统被认为是允许计算机运行的基础。它还简化了计算机的复杂操作，使用户能够轻松高效地与技术进行交互。

操作系统的目标

操作系统有一些目标需要实现，以使计算机更有用、更高效，这将有助于个人顺利地使用操作系统。这些目标可分为两类：主要目标和次要目标。

操作系统的主要目标

1. 为用户提供便利

• 操作系统的主要目标是明智地使用计算机。尽管如此，大多数用户都不是计算机专家，因此操作系统需要提供一个用户友好的环境，让个人可以在不了解底层工作原理的情况下轻松地与系统进行交互。
• 这主要包括拥有清晰的图形用户界面 (GUI)、易于理解的命令以及有用的错误消息。操作系统应帮助用户以最简单的方式打开文件、运行程序、浏览互联网以及执行其他任务。

2. 程序执行

• 操作系统的另一个重要作用是帮助个人运行他们的程序。无论是网页浏览器、视频播放器还是游戏，都需要操作系统为所有这些应用程序提供正确的运行条件。
• 除了所有这些之外，它主要涉及将程序加载到内存中，为其分配必要的资源，从而确保它能够运行而不会崩溃或干扰其他程序。

3. 有效的资源管理

• 我们都知道计算机拥有大部分资源，例如 CPU（处理器）、内存（RAM）、存储（如硬盘或 SSD）以及输入/输出设备，主要包括键盘、鼠标、打印机等。
• 它通常确保没有单个程序占用系统资源，并且所有活动的程序和用户都能公平地访问计算机的资源。

4. 安全性

• 安全性被认为是任何操作系统的关键目标。操作系统必须有效地保护系统和用户相关的数据免受未经授权的访问或来自不同恶意软件的侵害。
• 确保一个用户未经许可无法访问另一个用户的文件，敏感数据保持私密，并且病毒或恶意软件无法损害系统。
• 操作系统使用用户身份验证（密码）、文件权限、防火墙和防病毒支持等功能来维护系统安全。

操作系统的次要目标

1. 资源的有效利用

• 虽然使系统易于使用很重要，但它也需要高效运行。操作系统应致力于利用计算机的所有资源，例如处理器、内存和磁盘。
• 它应确保系统不会浪费资源，并且程序能够获得它们发挥作用所需的资源。有效的资源利用有助于加快所有进程的速度，并减少系统延迟或卡顿。

2. 可靠性

• 可靠性就是让系统在不出现问题的情况下运行。操作系统应该是稳定的，并且能够处理错误或意外问题而不崩溃。
• 例如，如果一个程序停止工作，那么在这种情况下，操作系统应该能够关闭它而不影响整个系统。可靠的操作系统也易于更新、维护和有效排除故障。
• 模块化设计——系统被划分为不同的部分，这主要有助于使操作系统更具灵活性，并且在出现问题时更容易管理或修复。

此外，操作系统的主要目标是尽可能轻松地使用计算机，管理硬件资源，确保安全，并保持系统的高效和可靠。

操作系统的目标

在本节中，我们将看到操作系统的一些目标，如下所述。

1. 方便使用：目标之一是更方便地使用计算机系统。
2. 用户友好：操作系统在使计算机系统更具交互性以及为用户提供更便捷的界面方面非常有帮助。
3. 易于访问：它在为用户提供对资源主动使用的便捷访问方面非常有帮助，充当硬件与其用户之间的中介。
4. 公平共享资源：有助于在用户和程序之间实现高效和公平的资源共享。

操作系统类型

我们都知道“操作系统”可以根据不同标准进行有效分类，例如，操作系统是用于移动设备（例如 Android 和 iOS）还是桌面（例如 Windows 和 Linux）。

在这里，我们将根据操作系统提供的功能进行分类

1. 批处理操作系统

我们都知道“批处理操作系统”不直接与计算机交互，而是由一个操作员将具有相似需求的相似作业取出来，然后将它们分组到一个批次中。

• 操作员负责按相似需求对作业进行排序。
• 然而，批处理操作系统主要设计用于通过有效地将大量作业分组处理来高效地管理和执行大量作业。

批处理操作系统的优点

• 多用户可以高效地共享批处理系统。
• 批处理操作系统的空闲时间非常小且可以忽略不计。

批处理操作系统的缺点

• 在这里，批处理操作系统没有有效地利用 CPU。当当前进程正在进行 I/O 时，CPU 是空闲的，可以被其他等待的进程有效利用。
• 如果任何作业失败，其他作业将不得不等待未知的时间。

2. 多编程操作系统

多编程操作系统可以简单地描述为，主内存中存在多个程序，其中任何一个都可以被执行。这主要用于更好地利用资源。

多编程操作系统的优点

• 在此操作系统中，CPU 的利用率更高，并且系统的整体性能得到提高。
• 它还有助于有效减少响应时间。

3. 多任务/分时操作系统

它被认为是多编程系统的一种类型，每个进程以轮转方式运行。在这里，每个任务都有一些执行时间，以便所有任务都能顺利运行。

而且，当每个用户使用单个系统时，他们可能会获得 CPU 的时间。然而，所有这些系统也称为“多任务系统”。任务可以来自单个用户或不同用户。每个任务的执行时间称为时间片。在此时间间隔结束后，操作系统会切换到下一个任务以有效地实现这一目标。

分时操作系统的优点

与分时操作系统相关的各种优点如下：

• 每个任务在分配的时间段内获得平等的机会。
• 软件重复的可能性较小。
• CPU 空闲时间可以得到有效减少。

分时操作系统的缺点

与分时操作系统相关的各种缺点如下：

• 与可靠性相关的问题。
• 另一个缺点是必须有效地处理用户程序和数据的安全以及完整性。
• 与数据通信相关的问题。

想了解更多，请参阅 https://tpointtech.cn/types-of-operating-systems

常见问题

问题 1：什么是进程，什么是进程表？

答案：在操作系统中，进程基本上被视为一个正在运行的程序。操作系统管理我们计算机上的所有正在运行的程序，为每个程序分配 CPU 时间和其他所需的资源，如内存或存储，以有效地使用。

为了跟踪所有内容，操作系统会维护一个列表，称为“进程表”。该表存储有关每个进程的信息，例如它正在做什么、它正在使用哪些资源以及它处于什么状态。

问题 2：什么是线程？

答案：线程就像是进程的一个较小部分。我们可以将其视为一个更大程序内的任务或活动。

• 例如，一个网页浏览器可能会打开不同的标签页，每个标签页可以是一个单独的线程。线程还有助于将工作分解成可以并行运行的小块，这使得程序更快、响应更灵敏。

问题 3：线程与进程有什么区别？

答案：众所周知，“进程”是一个完整、独立的程序，拥有自己的内存空间。“线程”则是一个进程的一部分。线程共享其所属进程的相同内存和资源，但每个线程都有自己的代码指针和堆栈来跟踪其活动。

通常，线程比完整的进程更轻量级，创建速度更快，而且由于它们共享内存，因此它们可以轻松地相互通信。这就是为什么线程经常用于单个应用程序内的多任务处理。

问题 4：列出所有使用多线程编程的关键好处？

答案：使用多个线程可以使程序更快、响应更灵敏。它还有助于利用多核 CPU，减少等待时间，并允许应用程序的不同部分同时运行（例如，在加载文件时播放音乐）。与启动完全独立的进程相比，它还节省了资源，使程序更高效。

问题 5：定义操作系统中的“thrashing”一词？

答案：Thrashing 指的是当我们的计算机运行速度变慢时，这是因为我们花费了过多的时间在内存的交换进出，而不是实际运行程序。当 RAM 不足且打开的程序过多时，通常会发生这种情况。系统没有进行实际工作，而是不断地在 RAM 和硬盘之间切换内存页，这会导致长时间延迟和性能下降。