操作系统的概念

第 1 章是整门课的入口。它要回答的是：操作系统在计算机系统里处在什么位置、它凭什么存在。

这一章看似都是概念题，但它其实是后面四章的地基——第 2 章讲的处理机管理、第 3 章的存储器管理、第 4 章的文件管理、第 5 章的设备管理，正是本章”资源管理者”这一句话的四个展开。

机制

为什么需要操作系统

一台不装任何软件的计算机称为裸机。 裸机不是不能用，而是用起来的代价高到不现实。

要在裸机上运行一个程序，程序员必须亲自处理每一件事：把程序的机器码逐条放进内存的哪个地址、怎么驱动磁盘控制器把数据读出来、怎么在打印时轮询打印机的状态寄存器。这些事与他要解决的问题毫无关系，却占了绝大部分工作量。

更糟的是：这些细节还不能复用。 换一台机器、换一块磁盘，整套代码就要重写。

操作系统的存在就是为了把这一切从应用程序里拿走——它把裸机包装成一台功能更强、使用更方便的机器，应用程序只需说”读这个文件”，不必知道磁头怎么动。

定义的三段拆解

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

这个定义很长，但拆成三段之后，每一段正好对应它的一个身份（详见 1.1.2）：

“控制和管理……硬件与软件资源，合理地组织、调度……与资源的分配” —— 这是资源管理者的身份。

“为用户和其他软件提供方便接口与环境” —— 这是接口的身份。

“程序集合” —— 注意这三个字：操作系统不是一个程序，而是一大批程序的集合。进程调度程序、内存分配程序、文件系统、设备驱动，各管一摊。

操作系统在计算机系统中的层次

graph TD
    U["用户"] --> A["应用程序<br/><i>Word、浏览器、自己写的程序</i>"]
    A --> S["其他系统软件<br/><i>编译程序、数据库管理系统、汇编程序</i>"]
    S --> O["<b>操作系统</b><br/><i>最基本的系统软件</i>"]
    A -.->|也可直接调用| O
    O --> H["裸机（硬件）<br/><i>CPU、内存、磁盘、I-O 设备</i>"]
    classDef usr fill:#fef3c7,stroke:#d97706,color:#78350f
    classDef app fill:#dbeafe,stroke:#2563eb,color:#1e3a8a
    classDef os fill:#dcfce7,stroke:#16a34a,color:#14532d
    classDef hw fill:#e5e7eb,stroke:#6b7280,color:#1f2937
    class U usr
    class A,S app
    class O os
    class H hw

这张图里最需要注意的是操作系统的位置：它紧贴硬件，且在所有其他软件的下面。

“最基本的系统软件”这个说法的确切含义正是这个位置——其他系统软件（编译程序、数据库管理系统）本身也要运行在操作系统之上，它们要读文件、要申请内存，靠的都是操作系统提供的服务。

边界

系统软件不都是操作系统

这是本节最常考的一对包含关系。

系统软件是一个大类，包括操作系统、编译程序、汇编程序、数据库管理系统、各种工具软件等。操作系统只是其中之一，只不过是最基本的那一个。

判据是：这个软件运行时需不需要另一个软件为它管理资源。 编译程序运行时要向操作系统申请内存、要通过操作系统读源文件；而操作系统运行时不依赖任何其他软件，它直接管理硬件。

这条边界的常见考法是给出一组软件让你挑出操作系统，或者问”下列关于操作系统的说法哪个正确”，选项里常混入”编译程序是操作系统的一部分”这类说法。

操作系统不是一个程序

“程序集合”这三个字容易被读过去，但它有实际后果。

操作系统的各个部分是分别被触发、分别运行的：时钟中断到来时运行的是中断处理程序和调度程序；进程申请内存时运行的是内存分配程序；读文件时运行的是文件系统的那几层代码。

它们之间不存在”主程序调用子程序”那样的统一控制流。 因此不存在一个”操作系统进程”从头跑到尾——操作系统更像一套随时待命、被事件触发的例程集合。

这个认识在理解系统调用时很关键：系统调用不是”把控制权交给操作系统这个程序”，而是”进入内核态，执行内核中对应的那一段例程”。

操作系统与硬件的分界

操作系统是软件，它管理硬件，但它自己也要靠硬件的支持才能实现管理。

最典型的例子是处理器运行模式：操作系统之所以能阻止用户程序执行特权指令，不是因为它逐条检查了用户程序，而是因为 CPU 硬件本身提供了特权级机制，操作系统只是配置了规则。

这条边界贯穿整门课：地址转换靠 MMU、中断响应靠中断隐指令、互斥锁靠原子指令——操作系统的每一项管理能力，背后都有一个硬件机制在支撑。

做题时的用处：看到”操作系统如何实现 X”，先问”硬件为此提供了什么”。

对照速查

定义的三段	对应的身份
控制和管理硬件与软件资源，组织调度与分配	资源管理者
为用户和其他软件提供方便接口与环境	接口
程序集合	不是一个程序，而是一批例程

层次（自上而下）	内容
用户	—
应用程序	Word、浏览器、用户自己的程序
其他系统软件	编译程序、数据库管理系统
操作系统	最基本的系统软件，紧贴硬件
裸机	CPU、内存、磁盘、I/O 设备

易混	判据
系统软件 vs 操作系统	前者是大类，操作系统是其中最基本的一个
操作系统是不是一个程序	不是，是一批被事件触发的例程
操作系统 vs 硬件	操作系统管理硬件，但每项能力背后都有硬件机制支撑

考点

操作系统的定义三段：资源管理者 + 接口 + 程序集合
操作系统是最基本的系统软件，其他系统软件运行在它之上
系统软件 ≠ 操作系统：编译程序、数据库管理系统也是系统软件
不存在一个”操作系统进程”——它是一批被触发的例程
操作系统的每项管理能力背后都有一个硬件机制

考研笔记