前言
部分朋友可能对底层较为感兴趣，希望多了解一些操作系统，该文为这些朋友提供一些方便。操作系统博大精深，本文只能简要介绍一二，皆为操作系统基本知识，多数只能就就原理概念作扼要论述，具体细节有依赖于专门的教材予以论述。若想对部分细节较感兴趣，也可与笔者交流。本文重于原理，不涉及具体系统，语言可能枯燥无味，望朋友们谅解。考虑到严谨性，本文参考教材上概念。由于笔者能力有限，疏忽之处在所难免，还望各位朋友指正。
引论
1.1 操作系统的目标和作用
目前存在多种类型的OS，诸如多道批处理系统，分时系统，实时系统和早期曾存在的人工操作方式和单道批处理系统（已淘汰），目标各有侧重。多道批处理系统重在提高资源利用率和吞吐量，分时系统重在人机交互，实时系统则要求能及时响应外部事件的请求。此外，微机操作系统还有单用户单任务操作系统，例如CP/M和MS-DOS，单用户多任务操作系统,例如Windows，和多用户多任务操作系统，例如UNIX OS和它的两个有名的变种Solaries和Linux OS.
操作系统的目标一般有四个（1）有效性，有效性有两个含义，提高系统资源利用率和吞吐量（2）方便性（3）可扩充性（4）开放性
1.2 操作系统的作用
从一般用户的观点看，OS是用户与硬件系统的接口。从资源管理的观点看，OS是系统资源的管理者。
1.OS作为用户与计算机硬件系统的接口
用户在OS的帮助下，能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。用户可通过三种方式使用计算机：（1）命令方式（2）系统调用方式（3）图形、窗口方式
2.OS作为计算机系统资源的管理者
在计算机中资源可分为四类：处理器、存储器、I/O设备以及信息。当计算机供多个用户使用时，用户对系统中共享的资源可能发生冲突，操作系统必须协调各资源的使用。
3.OS实现对计算机硬件资源的抽象
OS是铺设在硬件上的多层软件，不仅增加系统功能还隐藏了对硬件操作的细节。
1.3 操作系统的基本特性
1.3.1 并发性
1.并行与并发
并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生，而并发是两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
2.引入进程
进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成，是一个能独立运行的活动实体。
3.进入线程
在引入线程的OS中，通常把进程作为分配资源的基本单位，线程作为独立运行和调度的单位。线程比进程更小，基本不拥有资源，调度开销很小，引入线程可以提高系统的并发性。
1.3.2共享性
在操作系统环境下，共享是指资源可供内存多个并发执行的进程（线程）共同使用。共享有两种：互斥共享和同时访问。
1.3.3虚拟技术
操作系统有两种虚拟技术，时分复用和空分复用。时分复用主要有虚拟处理机技术和虚拟设备技术，空分复用主要有虚拟磁盘和虚拟存储器技术。
1.3.4异步性
进程是以不可预知的方式向前推进，但只要操作系统进程管理机制完善且运行环境不变，作业的运行将获得完整的结果。
1.4操作系统的主要功能
操作系统的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，以保证多道程序高效的运行，并最大限度的提高各种资源利用率和方便用户使用。为此，操作系统必须具备处理机管理，存储器管理，设备管理和文件管理。
1.4.1处理机管理
1.进程控制
程序段、相关的数据段和PCB构成进程实体。进程有三种基本状态（1）就绪，拥有除CPU以外的资源（2）执行（3）阻塞，发生某事件无法执行。此外还有挂起，创建和终止状态。
2.进程同步
进程同步的主要任务是协调多个进程的次序，使进程共享资源和相互合作，从而便程序的执行具有可再现性。进程有两种制约关系：间接和直接。间接是竞争，直接是合作。进程同步的规则：（1）空闲让进（2）忙则等待（3）有限等待（4）让权等待
3.进程通信
通常采用直接通信方式，由源进程利用发送命令将消息挂到目标进程的消息队列上，再由目标进程利用接收命令取出消息。此外还有共享存储器和管道。
4.进程调度
高级调度，主要是作业调度，算法FCFS、SJF 高优先权
中级调度，将暂时不能运行的进程调度到外存上等待。
低级调度，进程调度，算法FCFS、SPF、时间片、多级反馈队列
5.死锁
条件：（1）互斥（2）请求与保持（3）不剥夺（4）环路等待
处理死锁：预防、避免、检测、解除
检测主要使用银行家算法。
1.4.2存储器管理
存储器管理的主要任务提供多道程序运行的环境，方便用户使用，提高内存利用率和从逻辑上扩充内存，程序员可用内存远大于实际内存，运行时使用请求段页式分配内存，只需少量段即可运行。
程序装入：绝对、可重定位和动态运行时。绝对需要熟悉内存使用情况，可重定位目标模块从0开始，装入后重定位，不可移动。动态运行时可移动，目前主流。三者编译都产生逻辑地址，绝对方式可以指定物理地址，但不能运行多道程序。
1.内存分配
连续方式;单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配、可重定位分区分配、对换
离散方式：基本分页、基本分段、段页式，请求分页，请求分段，请求段页式
现在主流操作系统使用的是段页式也就是虚拟存储器技术。
2.内存保护（硬件）
一种比较简单的保护机制是设置两个界限寄存器，访问时检查，由硬件实现。
3.地址映射
分页是将进程的逻辑地址空间分成若干大小相等的片，内存物理块作同样的划分，分配内存时以页为单位。分段管理是将作业的地址空间划分若干段，每段定义一组信息，方便编程和共享以及动态增长和链接。段页式是两者的结合，先分段再分页，请求式则是只调入少量段运行，等到缺页（段）时再调入。页面置换算法：OPT、FIFO、LR、CLOCK、LFU PBA
分页地址变换（硬件）：页表的功能由一组专门寄存器实现，系统设置一个PTR，页表常驻内存，当进程访问某个逻辑地址时，分页地址变换机构将有效地址分为页号和页内地址，以页号检索页表，当页号大于页表长度时越界中断，否则将页表始址与页号和页表项长度的乘积相加，得到物理地址。分段与此类似，只不过段长不等，地址变换时兼顾段长与段内地址。
4内存扩充
（1）请求调入
（2）置换，将暂时不能运行的进程调换到外存上，外存通常分为文件区和对换区。
1.4..3设备管理
设备管理用于管理外围设备，完成I/O请求，分配设备，提高设备利用率。主要有缓冲管理、设备分配和设备处理，比较简单，目前较多使用SPOOLing技术，设备的中断由操作系统和硬件共同实现。I/O控制方式：程序I/O方式、中断方式、DMA方式、I/O通道、I/O处理机。
1.4.4文件管理
文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，保证文件安全性。
1.文件的逻辑结构
文件其它方面较为简单,，操作系统建立文件时会建立FCB，记录文件必备信息，基本操作通过FCB进行。逻辑结构有两种：（1）有结构文件，又称记录式文件，有顺序、索引和索引顺序三种（2）无结构文件，又称流式文件。UINX系统中，所有文件都视为流式，系统不进行格式处理。
此外还有直接文件和哈希文件。
2.外存分配
（1）连续分配
（2）链接分配：隐式和显式
（3）索引分配：单级、多级和混合
混合索引分配在UNIX采用，分为直接、一次间接和多次间接地址。最大可支持4TB文件。
3.目录结构
（1）单级目录
（2）两级目录
（3）多级目录 相对两级而言，层次结构清晰，查询速度更快，能有效的进行文件管理和保护。UNIX、Linux、Windows都采用了该结构。
4.文件存储空间管理
（1）空闲表法，类似于连续分配方式，建立空闲表，记录空间盘块号
（2）空闲链表法
（3）位示图法，利用二进制的一位表示空闲盘块使用情况
（4）成组链接法，UNIX常用，将空闲盘块分成组，每一组的盘块总数记入前一组的空闲块中，第一组计入空闲盘块号栈中。
5 文件共享与保护
（1）基于索引结点
（2）利用符号链接
保护主要依靠ACL实现，此外有用户的口令和密码。
1.5 OS结构设计
1.5.1传统的操作系统结构
1.无结构操作系统
早期的操作系统只注重功能的实现和获得高的效率，没有一致的设计思想，内部结构混乱，可以任意调用，调试困难且难以维护。
2.模块化结构OS
该技术使用分解和模块化来控制大型软件的复杂度，按其功能划分为若干个具有一定独立结构的模块，并规定之间的接口。设计中每一个决定必须建立在另一个的基础上，但各模块设计并进，造成决定的冲突性。
3.分层式结构OS
每一步的设计都是可靠的，每一层仅能使用其底层所提供的功能和服务，可使系统的调试和验证变得更容易。但因此系统效率降低，增加许多不必要的开销。
1.5.2微内核OS结构
微内核能有效的支持多处理机运行，适用于分布式环境。当今流行的OS，几乎全部采用了微内核结构，如Mach OS和Windows。
1.微内核的基本概念（1）足够小的内核（2）基于客户/服务器模式（3）应用机制与策略分离（4）采用面向对象技术
2.微内核的基本功能（1）进程（线程）管理2）低级存储器管理3）中断和陷入管理
3.微内核的优点（1）提高可扩展性（2）增强可靠性（3）可移植性（4）提供对分布式系统的支持5）融入面向对象技术
4.存在的问题：运行效率低下，完成一次服务请求需要多次上下文切换。
后记：本文只是让读者对操作系统结构有个大致的概念，什么功能该操作系统实现，很多细节考虑到篇幅都省略了。此外，操作系统与计算机体系结构（CPU设计）、计算机网络、计算机组成原理有着密切的关系，若有志于改善操作系统的朋友可以去了解，会对操作系统的设计有更深的理解。
