1.1.1 操作系统的概念、功能和目标
核心结论 操作系统（Operating System，OS）是控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源、合理组织计算机工作流程，并为用户和应用程序提供接口的系统软件。
从不同角度看，操作系统有三种核心角色：系统资源的管理者、用户与硬件之间的接口、对硬件机器的扩充。
熟悉的操作系统举例
操作系统的层次结构
tips
- 操作系统位于计算机硬件与应用程序、用户之间，是最接近硬件的一层系统软件。
- 操作系统通过管理底层资源并封装复杂的硬件操作，为上层软件提供统一、易用的运行环境。
操作系统的概念
操作系统的目标
- 方便性：隐藏硬件细节，为用户和程序提供易用的接口。
- 有效性：合理分配处理器、内存和 I/O 设备，提高资源利用率与系统吞吐量。
- 可扩充性：采用便于增加新功能和适配新硬件的结构。
- 开放性：遵循标准，使不同软硬件能够兼容和协同工作。
操作系统的功能
引例
- 我们假设：用户是雇主，操作系统是工人（用来操作机器），计算机是机器（由处理机(CPU)、存储器、设备、文件几个部件构成）
- 工人有熟练的技能去控制和协调各个部件的工作，这就是
操作系统对资源的管理- 同时，工人必须接受雇主的命令，这就是
"接口"- 有了工人，机器就能发挥更大的作用，因此工人就成了
"扩充机器"- 工人操作机器、机器有了更大的作用比如GUI界面，于是工人便成了
扩充机器，去扩充GUI界面等功能
1. 作为计算机系统资源的管理者
操作系统负责管理计算机中的软硬件资源，并协调多个程序对资源的使用
| 管理对象 | 主要任务 |
|---|---|
| 处理器管理 | 进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度 |
| 存储器管理 | 内存分配与回收、地址转换、内存保护与共享、内存扩充 |
| 文件管理 | 文件存储空间管理、目录管理、文件读写与访问保护 |
| 设备管理 | 缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备管理 |
处理器（CPU）管理
在多道程序环境下，CPU的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因此对CPU的管理可理解为对进程的管理。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等
存储器管理
为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能
文件管理
计算机中所有的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件的管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等
设备管理
设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓存管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能
2. 作为用户与计算机硬件之间的接口
操作系统封装了复杂的硬件功能，使用户和应用程序无须直接操作底层硬件。
命令接口
命令接口供用户直接使用，可分为以下两类：
联机命令接口
| 类型 | 别名 | 特点 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| 联机命令接口 | 交互式命令接口 | 用户输入一条命令，系统立即执行一条命令 | 终端、命令行 |
脱机命令接口
| 类型 | 别名 | 特点 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| 脱机命令接口 | 批处理接口 | 用户预先提交一组命令，系统依次执行，执行期间通常无须人工干预 | 批处理作业、脚本 |
批处理(Batch)，也称为批处理脚本。顾名思义，批处理就是对某对象进行批量的处理，通常被认为是一种简化的脚本语言，它应用于DOS和Windows系统中。批处理文件的扩展名为bat
程序接口
程序接口由一组系统调用组成，也称广义指令。应用程序通过系统调用请求操作系统提供服务，例如：
- 创建或终止进程；
- 申请或释放内存；
- 读写文件；
- 使用外部设备。
用户不能直接执行系统调用，而是通过应用程序间接使用程序接口。
图形用户界面
图形用户界面（GUI）通过窗口、图标、菜单等元素让用户操作计算机，是面向用户的交互方式。GUI 的底层实现仍会调用操作系统提供的服务，但 GUI 本身不等同于由系统调用组成的程序接口。
区分“直接”和“间接”
- 用户通过命令接口或 GUI 直接与操作系统交互。
- 应用程序通过系统调用间接请求操作系统服务。
3. 作为扩充机器（虚拟机）
- 裸机：没有配置任何软件、只包含物理硬件的计算机。
- 扩充机器（虚拟机）：硬件经过操作系统封装后，呈现出功能更强、使用更方便的逻辑机器。
这里的“虚拟机”强调操作系统对裸机功能的抽象和扩充，不特指 VMware、VirtualBox 等由虚拟化平台创建的虚拟计算机。
知识点回顾
易错点
常见混淆
- 操作系统是系统软件，不是硬件，也不是普通应用软件。
- 命令接口供用户直接使用；程序接口供应用程序通过系统调用间接使用。
- 系统调用是程序接口的组成部分，库函数不一定会触发系统调用。
- “扩充机器”强调对裸机功能的封装和扩展，不是简单地在硬件上安装任意软件。
参考资料
- 《2021 王道考研操作系统》
- 操作系统的概念、功能和目标（CSDN）
- 配套视频（哔哩哔哩）