深度解析Linux中关于操纵系统的知识点

操纵系统概述与核心概念

任何计算机系统都包含一个根本的程序集合，成为操纵系统OS
操纵系统是一款举行软硬件管理的软件
操纵系统包罗：

• 内核（进程管理，内存管理，驱动管理）
  
• 其他程序（例如数据库，shell程序等等）
  

在这里插入图片形貌
计划OS的目的
对上，给用户程序提供一个良好的执行环境
对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源
计算机的软件和硬件都具有高内聚低耦合的特点
1.软硬件体系布局层状布局
2.访问操纵系统，必须使用系统调用，其实就是函数，只不过是系统提供的
3.我们的程序，只要你判断出他访问了硬件，那么他必须贯穿整个软硬件体系布局
4.库可能在底层封装了系统调用

在整个计算机软硬件架构中，操纵系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件
1. 什么是操纵系统（OS）

操纵系统（Operating System, OS）是计算机系统中的一个重要组件，其主要功能是作为硬件与用户之间的中介，为用户提供计算机的根本功能。操纵系统的作用可以简单概括为：它负责管理计算机的硬件资源，调度并管理软件的运行，使得应用程序可以或许在不直接访问硬件的情况下执行使命。
操纵系统的界说与功能

操纵系统是管理计算机硬件与软件资源的程序集合，可以或许为计算机的其他应用程序提供服务。操纵系统主要通过以下几项功能来实现这一目标：

• 硬件管理：操纵系统需要与计算机硬件打交道，控制硬件设备如CPU、内存、磁盘等的使用。
  
• 资源分配与调度：操纵系统负责资源的调配，使得各个程序可以或许高效地共享计算机的计算资源。
  
• 程序执行管理：操纵系统负责程序的创建、执行与终止，并包管多使命处理时程序间的协作与竞争。
  
• 用户接口提供：操纵系统提供用户与计算机交互的接口，通常是通过下令行（CLI）或图形用户界面（GUI）。
  

操纵系统的历史与发展

操纵系统的历史可以追溯到计算机技术的早期。在最初的阶段，计算机的操纵需要人工干预，计算机程序必须被手动输入并执行。随着计算机技术的进步，操纵系统徐徐发展起来，以便可以或许自动管理计算机资源并提供用户接口。

• 第一代操纵系统（1940s-1950s）：这一时期的计算机操纵系统根本上是无操纵系统的，程序和数据被直接输入到机器中。
  
• 第二代操纵系统（1950s-1960s）：随着硬件的发展，批处理系统（batch processing）应运而生。计算机操纵的自动化得到了开端的实现。
  
• 第三代操纵系统（1960s-1970s）：引入了多道程序计划（multiprogramming）和分时系统（timesharing）。这一时期的操纵系统可以同时处理多个使命，并支持多个用户共享计算资源。
  
• 第四代操纵系统（1980s-至今）：操纵系统进入了多使命、多用户的期间，广泛应用于个人计算机、工作站和大型计算机系统中。随着网络技术的出现，分布式操纵系统徐徐发展起来。
  

操纵系统的作用：用户与硬件之间的桥梁

操纵系统充当了用户与计算机硬件之间的“桥梁”，它负责隐蔽硬件的复杂性，为用户和应用程序提供一个简洁、高效的接口。用户通过操纵系统与硬件交互，操纵系统则通过对硬件的管理与调度，使得硬件资源可以或许有用地被多种应用程序所共享。
操纵系统的分类

操纵系统可以根据差别的标准举行分类，常见的分类方式包罗：

• 批处理操纵系统（Batch Processing OS）：这种操纵系统计划用于处理大量的批量使命，用户提交使命后，操纵系统会自动调度使命并逐一执行。批处理操纵系统常用于早期的计算机环境。
  
• 分时操纵系统（Time-sharing OS）：分时操纵系统允许多个用户同时使用计算机资源，通过快速切换使命，使得每个用户都能在较短时间内得到计算资源。早期的UNIX操纵系统就是典型的分时操纵系统。
  
• 实时操纵系统（Real-time OS）：实时操纵系统被计划用来处理对时间要求严格的使命，常用于嵌入式系统、航空航天、医疗设备等领域。
  
• 嵌入式操纵系统（Embedded OS）：这种操纵系统通常在硬件中嵌入式运行，用于嵌入式设备，如智能手机、家电、汽车系统等。嵌入式操纵系统需要具备小巧、实时性强、稳固性高等特点。
  
• 分布式操纵系统（Distributed OS）：分布式操纵系统管理一个由多个计算机组成的网络系统，多个计算机共同协作完成使命，用户可以像使用单台计算机一样操纵分布式系统。
  

2. 操纵系统的根本功能

操纵系统的主要功能包罗进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、安全与保护以及用户接口的提供。下面详细阐明这些根本功能。
进程管理

进程是操纵系统执行中的根本单位，是程序在执行过程中的实例。操纵系统需要管理多个进程的调度、执行以及终止，确保每个进程在公道的时间内运行，并避免进程之间的干扰。操纵系统通过进程调度算法（如先来先服务、轮转法等）实现高效的进程管理。
内存管理

内存管理是操纵系统的一项重要功能，涉及到如何有用地分配和回收内存空间。操纵系统需要为每个进程分配肯定的内存空间，并通过分页、分段等技术管理内存，避免内存碎片和浪费。
文件系统管理

操纵系统提供了文件系统管理功能，它允许用户创建、删除、读写文件。操纵系统需要管理存储在磁盘上的文件数据，而且为用户提供高效的文件存取方式。文件系统的计划通常涉及到目录布局、文件存储方式等。
设备管理

设备管理包罗对计算机硬件设备的管理，如硬盘、打印机、表现器等。操纵系统通过设备驱动程序与硬件举行交互，控制设备的输入输出操纵。
安全与保护

安全性和保护是操纵系统的重要组成部门，操纵系统需要防止未授权的访问、数据泄露等安全问题。此外，操纵系统还需要包管差别进程之间的相互独立，避免因进程间的错误或冲突导致系统崩溃。
用户接口

操纵系统为用户提供的接口是用户与计算机交互的桥梁。早期的操纵系统使用下令行接口（CLI），而现代操纵系统则提供图形用户界面（GUI），使得操纵更加直观和友爱。

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操纵系统的体系布局

操纵系统的体系布局计划决定了其如何管理硬件资源、处理多使命以及与应用程序交互。操纵系统的体系布局可分为多种类型，包罗单核与多核架构、微内核与宏内核的计划，以及分布式操纵系统的布局。每种计划都有其特点与实用的场景。
1. 单核与多核操纵系统

操纵系统的体系布局通常与计算机硬件的处理器架构密切相关。单核和多核处理器是现代计算机中常见的处理器类型。
单核操纵系统

单核处理器是指计算机中只有一个中央处理单元（CPU）的处理器。在单核处理器上，操纵系统通过调度算法来模拟多使命处理。操纵系统在差别的时间段内切换使命，确保每个使命得到肯定的CPU时间。固然操纵系统可以或许执行多个使命，但实际上，在任何给定的时间，只能有一个使命在运行。
多核操纵系统

多核处理器包含多个CPU核心，可以在同一时间并行执行多个使命。多核操纵系统可以或许利用多个CPU核心来同时处理多个使命，从而显著提高系统的性能和响应速度。操纵系统需要可以或许有用地分配使命到差别的核心，并协调各个核心之间的工作，确保系统资源的公道利用。
在多核系统中，操纵系统的调度器需要考虑核心间的负载平衡问题，以便在多个核心上均匀分配进程负载。此外，多核操纵系统通常需要优化内存管理，以确保多个核心可以高效地访问共享内存。
2. 微内核与宏内核的比较

操纵系统内核是操纵系统的核心部门，负责管理硬件、执行进程、管理内存等。操纵系统的内核计划有两种主要的架构：微内核（Microkernel）和宏内核（Monolithic Kernel）。
微内核

微内核架构将操纵系统的功能最小化，只保存最根本的内核功能，如进程调度、内存管理和根本的设备驱动程序。其余的操纵系统服务（如文件系统、网络协议栈等）都运行在用户空间中，而非内核空间。微内核的一个重要特点是模块化，系统的各个部门可以独立升级和维护。
优点：

• 稳固性与安全性：由于非核心服务运行在用户空间，微内核计划可以有用隔离系统服务，低落系统崩溃的风险。
  
• 易于扩展：微内核提供了更高的灵活性，新的功能可以通过独立模块添加到系统中。
  

缺点：

• 性能开销：由于许多服务运行在用户空间，微内核需要通过上下文切换和消息传递来举行通讯，这会带来肯定的性能损失。
  

代表性操纵系统：MINIX、QNX、L4
宏内核

宏内核是将操纵系统的所有功能（包罗进程管理、内存管理、文件系统、网络协议栈等）都集成在一个大内核中的计划。所有的操纵系统服务都运行在内核空间内，操纵系统在执行时具有更高的服从。
优点：

• 高效性：由于所有服务都运行在内核空间，内核之间的通讯非常高效，淘汰了上下文切换带来的开销。
  
• 简化的计划：宏内核提供了集中的服务，简化了系统的计划与实现。
  

缺点：

• 易发生崩溃：所有服务共享内核空间，若某个服务出现问题，可能导致整个系统崩溃。
  
• 难于扩展与维护：当系统复杂度增加时，宏内核的维护和扩展变得更加困难。
  

代表性操纵系统：Linux、UNIX、Windows NT
3. 分布式操纵系统

分布式操纵系统是一种支持多台计算机协同工作的操纵系统，它将多台计算机资源整合成一个统一的系统，用户可以像操纵单台计算机一样使用整个系统。分布式操纵系统的目标是提供透明性、可伸缩性和高可用性。
分布式操纵系统的特点

• 透明性：分布式操纵系统的目标之一是使用户和应用程序感知不到底层系统的分布式特性。用户不需要知道计算机是分布式的，可以像操纵单台计算机一样使用它。
  
• 负载平衡：操纵系统通过将使命分配给差别的节点来实现负载平衡。通过高效的使命调度和数据分布策略，可以优化系统性能。
  
• 容错性：分布式操纵系统通常会实现冗余和备份机制，确保即使某个节点发生故障，系统仍旧可以或许继承运行。
  

分布式操纵系统的挑战

• 网络延长与带脱期定：由于分布式操纵系统依赖于网络举行节点间通讯，因此网络的延长和带脱期定可能会影响系统的性能。
  
• 同等性问题：分布式系统中的数据可能存在多个副本，确保数据同等性是一个关键问题。常见的同等性协议有Paxos、Raft等。
  
• 故障检测与恢复：在分布式系统中，节点可能会出现故障，操纵系统需要可以或许检测故障并采取恢复步伐，确保系统的高可用性。
  

代表性操纵系统：Google’s GFS、Hadoop、Amazon’s DynamoDB

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