操作系统

引论

• 定义与基本概念：操作系统是计算机硬件与用户之间的桥梁，类似于家中的管家，它管理硬件资源（如CPU、内存、硬盘），并为用户提供方便的服务（应用程序执行、文件管理等）。就好比一个家庭管家安排家务，使家庭成员可以专注于自己的活动。

• 发展历史：从最初的无操作系统（手动输入指令），到批处理系统（像工厂生产线，一批任务一起处理），再到分时系统（像自助餐厅，每个人轮流使用资源），最后到现代的多任务、图形界面操作系统（如智能家庭，各种设备协同工作，通过语音或触控简单控制）。

• 功能与目标：功能包括资源管理、进程控制、存储管理等，目标是提高效率、增强用户体验和确保安全性。如同一个高级酒店，既要保证房间（内存）的高效分配，也要确保顾客（进程）的需求得到及时响应，还要维护整个酒店的安全。

• 特性

  • 并发性：多个人同时在图书馆查阅不同书籍，操作系统让多个进程看起来同时运行。
  • 共享性：公园里的公共长椅，多个进程可以访问共享资源，但需适当管理避免冲突。
  • 虚拟性：电影院的3D眼镜，让观众感受到虚拟世界，操作系统通过虚拟内存让程序认为拥有更多内存。
  • 不确定性：在繁忙的超市结账，虽然有排队规则，但你不确定何时轮到自己，进程执行的顺序也是不确定的。

进程管理

• 进程概念与状态：进程是正在执行的程序实例，如同在厨房忙碌的厨师，状态包括就绪（等待原料）、运行（炒菜中）、阻塞（等待调料）和终止（菜已完成）。

• 进程控制：创建新进程如同开新炉灶炒新菜；终止进程是结束一道菜的制作；挂起是暂时把未完成的菜放一边；唤醒是重新开始炒那道菜。

• 进程通信：两个厨师通过传菜窗口传递材料（共享内存），或通过口头指示（消息传递）交流。

• 调度算法：如同餐厅经理决定下一道菜由哪个厨师做，先来先服务（按到达顺序）、短作业优先（先做快熟的菜）等。

• 死锁：几位客人互相等待对方的座位，导致谁也无法就餐，类似多个进程因等待对方资源而无法继续。

• 并发控制与同步机制：厨房里设置红绿灯，保证厨师们不会同时拿同一个锅（互斥锁），有序地完成各自任务。

存储管理

• 内存管理策略：餐厅如何高效安排座位（内存空间）给顾客（进程）。
• 分页与分段：分页是将大桌子分割成小桌，适应不同规模的团体；分段是按用途划分区域，如儿童区、成人区。
• 虚拟内存：餐厅外设立临时休息区，当店内满员时，让顾客先在外等待（硬盘上的交换空间）。
• 地址转换与重定位：顾客凭票（逻辑地址）换座位（物理地址），且座位可能随时间变动。
• 内存分配与回收：根据顾客流动情况灵活调整座位布局。
• 内存保护与扩充：确保不同顾客（进程）不会占用他人座位，同时通过扩展餐厅（增加内存）容纳更多顾客。

文件系统

• 文件与目录结构：想象一个图书馆，文件是书本，目录是书架上的标签，帮助我们分类和快速找到所需的书籍。每个文件都有一个唯一的名称和位置，就像每本书都有索引号。

• 文件存储组织：书架上的书可以按照字母顺序、主题或者作者排列，这对应于连续、链式或索引等不同的文件存储方式，以优化存取效率。

• 文件存取方法：图书馆提供借阅卡记录借还情况，类似操作系统记录文件的读写指针，确保每次打开文件时能从上次阅读的位置继续。

• 文件系统实现：如同图书馆管理系统，负责书籍的入库、出库、归档和检索，文件系统负责文件的创建、删除、读写和查找。

• 安全与权限管理：图书馆限制某些珍贵书籍的借阅，操作系统通过权限设置，确保用户只能访问他们有权限的文件，保护数据安全。

输入/输出(I/O)管理

• I/O设备分类与控制方式：就像餐厅中的餐具和厨具各有用途，I/O设备如键盘、打印机也有不同类别，操作系统通过专用驱动程序控制这些设备，如同服务员专门负责餐具的摆放和清洁。

• 中断驱动I/O：当客人按下服务铃（I/O请求），服务员立即停止当前工作去响应，操作系统通过中断处理I/O事件，保证及时响应外部请求。

• DMA与缓冲技术：为了不让厨师（CPU）一直等待原材料（数据）送上门，直接存储器访问（DMA）允许数据直接在内存和外设间传输，缓冲区则像临时堆放食材的台面，减少等待时间。

• 设备独立性与虚拟设备：无论餐厅更换哪种品牌的冰箱，厨师（应用程序）仍能正常取出食材，这是设备独立性的体现。虚拟设备则是将多个低速打印机模拟成高速打印机，让用户感觉打印速度更快。

• I/O调度与死锁：合理安排服务员上菜顺序，防止厨房拥堵，I/O调度也是如此，避免设备争用引起系统效率下降。死锁就像几桌客人互相等待对方的椅子，解决办法是预防和检测机制。

网络与分布式操作系统

• 网络基础知识：理解计算机间的通讯协议和网络架构，就像城市间的交通规则和道路规划，确保信息有效传输。

• 分布式计算模型：多间分店协同工作，每家店处理一部分订单，汇总结果，体现了分布式系统分散处理和集中管理的优势。

• 远程过程调用(RPC)：犹如电话订餐，客户不用亲自到店，就能让餐厅处理订单，RPC允许程序跨网络调用其他机器上的函数。

• 安全与网络文件系统：如同银行的保险箱，网络文件系统提供加密传输和权限控制，确保数据在传输和存储过程中的安全。

• 分布式资源管理：如同连锁酒店统一调配客房资源，分布式操作系统需协调多台计算机的资源，以达到最优使用。

实用操作系统

• 常见操作系统介绍：Windows、Linux、Unix等，各有特色，如Windows像全能的家庭娱乐中心，Linux则像可定制的工作室，Unix是稳定的企业服务器。

• 操作系统安装与配置：如同为新房装修，选择合适的家具（软件）布置，配置网络、安全等设置，让系统满足个性化需求。

• 系统性能监控与优化：定期检查系统健康状况，如同汽车保养，通过任务管理器查看CPU、内存使用情况，清理垃圾文件提升运行速度。

• 命令行工具与脚本：命令行是直接与系统对话的方式，如同用特定语言给机器人下指令，脚本则是自动化一系列指令，提高工作效率。

• 系统安全与管理实践：设置防火墙、安装杀毒软件，如同为房子装上防盗门和监控摄像头，保护系统免受攻击，定期更新补丁，加固系统安全。