操作系统
操作系统是管理计算机硬件并为应用程序提供服务的软件层，它在程序之间多路复用处理器、内存、存储和设备，同时强制执行保护和抽象。
用 PaperMind 寻找选题即将推出Find papers & topics
Tools & resources
Learn & explore
视频即将推出
Definition
操作系统是管理硬件资源、提供进程、文件和地址空间等抽象、并在应用程序和底层机器之间进行协调的系统软件，同时强制执行隔离和公平共享。
Scope
该领域涵盖操作系统的原理和结构：进程和线程、CPU调度、内存管理和虚拟内存、文件系统、并发和同步、设备和I/O管理以及保护。它将操作系统视为硬件和应用程序之间的资源管理器和抽象层。它与内存层次结构和缓存（它管理虚拟内存）以及存储和I/O系统（它管理设备和持久性）接壤，但不包括跨机器的分布式协调，这在分布式和并行计算中处理。
Sub-topics
Core questions
- 操作系统如何在共享硬件上创建独立进程和线程的抽象？
- 调度器如何决定运行哪个就绪任务，以及基于什么目标？
- 操作系统如何管理内存并实现虚拟内存和分页？
- 文件系统如何在存储设备上可靠地组织持久数据？
- 操作系统如何提供保护、隔离和对资源的受控访问？
Key concepts
- 内核模式和用户模式
- 进程和线程
- 上下文切换
- CPU调度
- 虚拟内存和分页
- 文件系统
- 并发和同步
- 死锁
- 系统调用
- 保护和隔离
Key theories
- 进程和地址空间抽象
- 操作系统虚拟化CPU和内存，使每个程序都像拥有机器一样运行：一个进程捆绑了地址空间、执行上下文和资源，内核在进程之间切换并保护它们免受彼此影响。
- 工作集内存管理
- Denning的工作集模型描述了进程在一段时间内活跃使用的页面集合；保持每个进程的工作集驻留可以避免颠簸，并指导虚拟内存系统中的分页和准入决策。
Mechanisms
内核以特权模式运行，并协调对硬件的访问。它将运行中的程序表示为进程和线程，通过调度器驱动的上下文切换在它们之间进行切换。内存通过分页和虚拟地址转换进行管理；持久数据由文件系统组织；共享状态通过锁、信号量和监视器等同步原语进行协调。系统调用为应用程序提供了进入内核服务的受控入口。
Clinical relevance
操作系统支撑着几乎所有的计算：从服务器和台式机到手机和嵌入式设备。它们的设计决定了性能、可靠性和安全性——调度影响响应能力，内存管理影响吞吐量，隔离机制是系统安全和虚拟化的基础。Linux和Windows等广泛部署的内核在全球范围内体现了这些原则。
History
操作系统从20世纪50年代的批处理监视器演变而来，经过20世纪60年代的CTSS和Multics等多道程序设计和分时系统。Thompson和Ritchie在1970年左右创建的UNIX确立了在现代系统中仍然可见的持久抽象。Dijkstra关于信号量和并发的工作以及Denning的工作集模型奠定了理论基础，个人、移动和虚拟化系统在随后的几十年中扩展了该领域。
Debates
- 宏内核与微内核设计
- 一场长期存在的争论权衡了宏内核（为性能而在特权模式下运行大多数服务）与微内核（为模块化和可靠性将服务移至用户空间）；现代系统混合了这两种方法。
Key figures
- Edsger W. Dijkstra
- Peter J. Denning
- Per Brinch Hansen
- Ken Thompson
- Dennis Ritchie
- Abraham Silberschatz
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- silberschatz2018
- tanenbaum2014os
- denning1968
Frequently asked questions
- 进程和线程有什么区别？
- 进程是具有自己地址空间和资源的独立程序执行。线程是进程内的一个执行单元；多个线程共享进程的地址空间，这使得通信成本低廉，但需要同步以避免竞争。
- 内核能做什么普通程序不能做？
- 内核以特权处理器模式运行，这使其能够直接访问硬件、管理内存映射、处理中断和切换进程。应用程序通过系统调用请求这些特权服务，而不是自行执行，这保持了隔离和保护。