操作系统概述
在计算机应用的过程中，人们接触最频繁的是操作系统，例如磁盘操作系统DOS、易于使用的图形界面操作系统Windows、开放源代码的操作系统Linux等。但是，操作系统往往是比较复杂的系统软件，相对于使用而言，要掌握它的运行机制就不是那么  容易。
1.1认识操作系统
可以从不同的角度来认识操作系统。从使用者的角度看，操作系统使得计算机易于使用。从程序员的角度看，操作系统把软件开发人员从与硬件打交道的繁琐事务中解放出来。从设计者的角度看，有了操作系统，就可以方便地对计算机系统中的各种软、硬件资源进行有效的管理。
1.1.1  从使用者角度
人们对操作系统的认识一般是从使用开始的。打开计算机，呈现在眼前的首先是操作系统。如果用户打开的是操作系统字符界面，就可以通过命令行完成需要的操作。例如，要在Linux下复制一个文件，则输入：
cp  /floppy/TEST  mydir/test
上述命令可以把/floppy目录下的TEST文件复制到mydir目录下，并更名为test。
为什么可以这么方便地复制文件？操作系统为此做了什么工作？首先，文件这个概念是从操作系统中衍生出来的。如果没有文件这个实体，就必须指明数据存放的具体物理位置，即位于哪个柱面、哪个磁道、哪个扇区。其次，数据转移过程是复杂的I/O操作，一般用户无法关注这些具体的细节。最后，这个命令的执行还涉及其他复杂的操作，但  是，因为有了操作系统，用户只需要知道文件名，其他繁琐的事务完全由操作系统去处理。
如果用户在图形界面下操作，上述处理就更加容易。实际上，图形界面的本质也是执行各种命令，例如，如果复制一个文件，那么就要调用cp命令，而具体的复制操作最终还是由操作系统去完成。
因此，不管是敲击键盘或者单击鼠标，这些简单的操作在指挥着计算机完成复杂的处理过程。正是操作系统把繁琐留给自己，把简单留给用户。
1.1.2  从程序开发者角度
从程序开发者的角度看，不必关心如何在内存存放变量、数据，如何从外存存取数据，如何
把数据在输出设备上显示出来，等等。例如，cp命令的C语言实现片段如下：
inf=open("/floppy/TEST",O_RDONLY,0);
out=open("/mydir/test",O_WRONLY,0600);
do{
l=read(inf,buf,4096);
write(outf,buf,l);
} while(l);
close(outf);
close(inf);
在这段程序中，用到四个函数open()，close()，write()和read()，它们都是C语言函数库中的函数。进一步研究可知，这些函数都要涉及I/O操作，因此，它们的实现必须调用操作系统所
提供的接口，也就是说，打开文件、关闭文件、读写文件的真正操作是由操作系统完成的。这些操作非常繁琐，对于不同的操作系统其具体实现也可能不同，程序开发者不必关心这些具体操作。
1.1.3  从操作系统在整个计算机系统中所处位置
如果把操作系统放在整个计算机系统中考虑，则如图1.1所示。
图1.1  计算机系统层次结构示意图
因为操作系统这个术语越来越大众化，因此许多用户把他们在屏幕上看到的东西理所当然地
认为是操作系统，例如Windows中的图形界面、IE浏览器、系统工具集等，这些都是操作系统的一部分。但是，本书讨论的操作系统是指内核（kernel）。用户界面是操作系统的外在表象，而内核是操作系统的内在核心，由它真正完成用户程序所要求的操作。
从图1.1可以看出，一方面操作系统是上层软件与硬件相联系的窗口和桥梁，另一方面操作系统是其他所有用户程序运行的基础。
下面以一个程序的执行过程为例，看一下操作系统具体起什么样的作用。一个简单的C程序如下所示，其名为test.c。
#include<stdio.h>
main()
{
  printf("Hello world\n");
}
用户对上述程序编译、连接后，生成一个可执行的二进制文件，其机器执行过程简述如下：
（1）用户告诉操作系统执行test程序。
（2）操作系统通过文件名到该程序。
（3）检查其类型，检查程序首部，出代码和数据存放的位置。
（4）文件系统到第一个磁盘块。
（5）操作系统建立程序的执行环境。
（6）操作系统把程序从磁盘装入内存，并跳到程序开始处开始执行。
（7）操作系统检查字符串的位置是否正确。
（8）操作系统到字符串被送往的设备。
（9）操作系统将字符串送往该设备。窗口系统确定这是一个合法的操作，然后将字符串转换成像素。
开放源代码意味着什么
（10）窗口系统将像素写入存储映像区。
（11）视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号，用于控制显示器（重画屏幕）。
（12）显示器发射电子束，在屏幕上显示“Hello world”。
从这个简单的例子可以看出，任何一个程序的运行只有借助于操作系统才能得以顺利完成，因此，从本质上说，操作系统是应用程序运行的基础设施。
1.1.4  从操作系统设计者的角度
操作系统是一个庞大、复杂的系统软件，其设计目标有两个，一是尽可能地方便用户使用计算机，二是让各种软件资源和硬件资源高效、协调地运转。
笼统地说，计算机的硬件资源包括CPU、存储器和各种外设。其中外设种类繁多，如磁盘、鼠标、网络接口、打印机等。操作系统对外设的操作是通过I/O接口进行的。软件资源主要指存放在存储介质上的文件。
假设在一台计算机上有三道程序同时运行，并试图在一台打印机上输出运算结果，这意味着必须考虑以下问题：三道程序在内存中如何存放？什么时候让某个程序占用CPU？怎样有序地输出各个程序的运算结果？这些问题的解决都必须求助于操作系统，也就是说，操作系统必须对内存、CPU进行管理，当然也包括对外设的管理。
因此，从操作系统设计者的角度考虑，一个操作系统必须包含以下几部分：
操作系统接口
CPU管理
内存管理
设备管理
文件管理
综上所述，操作系统的定义:
操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合——它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软、硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效、顺畅地运行。
1.2  操作系统的发展
操作系统的发展过程是一个从无到有、从简单到复杂的过程。为了进一步理清思路，下面从操作系统的演变、硬件和软件的各自发展的角度来加深了解。
1.2.1  操作系统的演变
在计算机诞生的初期，硬件价格昂贵，没有操作系统。每一个用户都要自行编写涉及到硬件的源代码。程序通过卡片输入计算机，一次只能完成一个功能（计算、I/O、用户思考/反应），工作效率非常低。
    最早出现的操作系统是简单的单道批处理系统，它能串行执行预先组织好的一组任务。这种系统避免了此前系统一次只能运行一个任务，每个任务必须先装入系统，执行完之后才能装
入下一个任务而浪费了装入时间的现象，提高了系统效率。
但是，程序运行到I/O操作期间，CPU总是需要停下来等待数据传输完成，而I/O操作时间比CPU处理数据时间要高出数倍（往往是20倍以上），因此无形中浪费了大量宝贵的CPU时间，也使得任务组中后续程序的执行被延迟，那么，如何避免数据传输等待所带来的时间浪费？能否在传输期间解放CPU，使其可以去执行别的任务？为解决这个问题，单道批处理系统发展成为多道批处理系统。所谓多道，就是指处理器（指单处理器系统）可以交错运行多个程序，在某个任务挂起时运行另一个程序。这样就解决了CPU等待数据传输所浪费的时间，进一步提高了系统效率。
当计算机所处理的任务不再仅仅局限于科学计算，而是越来越多地涉及办公和日常活动时，程序在执行过程中常常需要和用户不断交互，任务执行结果随时都会因为用户的选择而改变，而且往往需要多个用户同时使用系统。由于这种交互模式和共享模式需要任务响应时间尽可能短（如果超过20秒，人的思维就容易被打断或变得不耐烦），为了让多数用户满意，操作系统开始采用分时技术，将处理器的运行时间分成数片，平均或依照一定权重分发给系统中的各用户使用。这种使处理器虚拟地由多个用户共同使用的方法，不但可以满足快速响应要求，也可以使得所有用户产生计算机完全是在为自己服务的感觉。
上面给出了操作系统发展的几个主要阶段：单道批处理——多道批处理——分时系统。除此以外，现在还出现了分布式操作系统、嵌入式系统，不过总体技术思路仍然脱离不了多道、分时等概念。
1.2.2  硬件的发展轨迹
操作系统理论是在计算机的应用中诞生并成长的，它的发展与计算机硬件的发展是密不可分的。表1.1是从硬件角度看操作系统的发展轨迹。
表1.1  从硬件角度看操作系统发展轨迹
年 代
硬 件 特 点
操作系统特点
背 景
机械计算机时代（17世纪～20世纪初）
纯机械结构，低速
只能进行简单的数学运算
纯手工操作
从计算尺到差分机再到分析机发展了数百年
第一代计算机（1946年～20世纪50年代末） 电子管计算机
体积大，能耗高，故障多，价格贵
难以普及应用
无操作系统
（程序以机器码编写，载体从插件板到卡片与纸带）
1906年发明电子管；
1946年第一台电子管计算机ENIAC研制成功
第二代计算机（20世纪50年代末～60年代中期） 晶体管计算机
采用印刷电路
稳定性与可靠性大大提高
批量生产成为可能
进入实际应用领域但数量有限
单道批处理系统
操作系统以监督软件形式出现
任务按顺序方式处理
1947年发明晶体管
第三代计算机（20世纪60年代中期~70年
代初） 集成电路计算机
体积减小，性价比迅速提高
小型计算机发展迅速
进入商业应用领域
尚不适合家庭应用的需求
涌现大批操作系统，包括多道批处理系统、分时系统和实时系统
奠定了现代操作系统的基本框架
1958年发明集成电路；1971年Intel公司发明微处理器
第四代计算机（20世纪70年代中期至今） 大规模集成电路计算机
性能大幅度提高，价格不断下降
个人计算机成为市场的主流
计算机迅速普及
计算机应用进入高速发展的轨道
操作系统的理论基本完善
系统与网络通讯一体化（分布式操作系统和网络操作系统）
人机交互成为设计重点
操作系统性能日渐稳定
1981年IBM-PC机诞生；1993年Internet开始商业化运作
从表1.1可以看出：

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