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操作系统的初步了解

news 来源：原创 2025/8/4 10:08:21

 

目录

引言：什么是操作系统？

一、设计操作系统的目的

二、操作系统是做什么的：

操作系统主要有四大核心任务：

1. 管理硬件

2. 运行软件

3. 存储数据

4. 提供用户界面

如何理解操作系统的管理呢？

1. 什么是操作系统中的"事件"？

2. 事件管理的四个步

步骤1：事件发生 - 学生举手

步骤2：登记事件 - 老师记名字

步骤3：排队处理 - 教务处整理申请

步骤4：分配处理 - 老师找对应的负责人

3. 真实例子：你按下键盘时发生了什么？

4. 为什么要这样设计？

三、系统调用与库函数概念：

结语

引言：什么是操作系统？

你有没有想过，当你按下电脑电源键后，它是如何从一块“冰冷的铁盒子”变成可以玩游戏、写文档、上网冲浪的智能工具的？
背后的关键就是——操作系统（Operating System, OS）。
它就像电脑的“大管家”，负责管理硬件、协调软件，让你能轻松地和电脑“对话”。

操作系统的本质，其实就是一个进行软硬件资源管理的软件！

他是我们买来的电脑这个豪宅的一个管家，所做的最重要的工作，就是做管理。

一、设计操作系统的目的

1、对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源，使其稳定的，高效的，安全的进行良好的工作（手段）

2、对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行，运行环境。（目的）

二、操作系统是做什么的：

操作系统主要有四大核心任务：

1. 管理硬件

  • 键盘、鼠标、显示器、打印机……这些硬件设备千差万别，但操作系统让它们能协同工作。

  • 举例：当你打字时，操作系统把键盘信号转换成屏幕上显示的字符。

2. 运行软件

  • 电脑可以同时运行微信、浏览器、游戏，而不会混乱，全靠操作系统分配资源。

  • 举例：你在听音乐的同时写文档，操作系统确保两者不会互相干扰。

3. 存储数据

  • 文件存到哪里？怎么快速找到？操作系统帮你管理硬盘、U盘甚至云存储。

  • 举例：你保存的“作业.docx”其实是被操作系统安排到硬盘的某个位置。

4. 提供用户界面

  • 图形界面（如Windows的桌面）或命令行（如Linux的终端），都是操作系统提供的“交互方式”。

  • 举例：你点击图标打开软件，其实是操作系统在背后执行程序。

 

如何理解操作系统的管理呢？

我们把学校简化为校长-辅导员-学生这三个层次，那么校长就是管理的人，也就是操作系统，学生就是被管理的人。那么学生和校长之间会经常见面吗？答案是否定的，所以操作系统管理软硬件也不需要经常“见面”。

校长在进行管理的时候，会借助“辅导员“这个中间角色，这个中间角色，承担的就是对上（校长）获取数据，对下（学生）进行执行决策工作。

我们可以将操作系统的事件管理类比为学校对学生的管理方式，并借助数据结构（如链表）来理解其核心逻辑。

1. 什么是操作系统中的"事件"？

想象一下，你在用电脑时：

  • 按下键盘（"老师，我有问题！"）

  • 点击鼠标（"老师，这个我不懂！"）

  • 程序请求打开文件（"老师，我要借书！"）

这些就是操作系统要处理的"事件"。就像教务处要处理学生的各种申请一样。

操作系统的事件（如硬件中断、用户输入、程序请求）需要被高效处理，其管理逻辑可总结为：
“先描述，再组织”

  • 描述：用数据结构（如struct）定义事件的属性（类似“学生档案”）。

  • 组织：通过链表、队列等结构管理多个事件（类似“班级花名册”）。

2. 事件管理的四个步

步骤1：事件发生 - 学生举手

  • 硬件事件：键盘被按下（就像学生突然举手）

  • 软件事件：程序请求资源（就像学生提交请假条）

步骤2：登记事件 - 老师记名字

操作系统会把每个事件记录下来，就像老师在小本本上记下学生的问题：

struct 事件记录 
​​​​​​​{int 事件类型;      // 是键盘问题？还是鼠标问题？void *具体内容;    // 比如按下了"A"键struct 事件记录 *下一个; // 下一条记录
};

步骤3：排队处理 - 教务处整理申请

所有事件会被放进一个待办清单（队列）：

struct 事件记录 *待办清单; // 所有等待处理的事件

操作系统不会一下子处理所有事，而是：

  • 紧急事件优先（就像受伤学生可以插队看校医）

  • 普通事件按顺序（就像交作业要排队）

步骤4：分配处理 - 老师找对应的负责人

  • 键盘问题 → 交给输入法老师

  • 文件请求 → 交给文件系统老师

  • 网络请求 → 交给网络老师

就像教务处会把请假申请转交给班主任，把食堂问题转交给后勤处。

3. 真实例子：你按下键盘时发生了什么？

  1. 你按下"A"键（学生举手）

  2. 键盘说："OS大人，有人按我！"（登记事件）

  3. OS把这个按键事件放进待办清单（记在小本本上）

  4. OS看清单后说："这是输入问题，交给输入法处理"

  5. 输入法收到"A"，显示在屏幕上（老师解答了问题）

4. 为什么要这样设计？

优点学校类比操作系统
不混乱不会所有学生同时围着老师硬件/软件不会互相干扰
高效率教务处用名单快速处理OS用队列快速响应
好维护新老师来只需看名单新硬件只需加驱动

 

 

如果同时按下100个键会怎样呢？

想象课间休息时，100个学生同时冲向老师办公室问问题：

  • 老师办公室只有一个门 → 相当于计算机的中断控制器

  • 老师一次只能处理一个学生 → 相当于CPU的单核处理能力

那我们的操作系统会如何处理呢？

  1. 硬件层面：

    • 键盘控制器会把这些按键转换成扫描码，暂时存在自己的小仓库（缓冲区）

    • 就像学生们先在办公室外排队领号码牌

  2. 操作系统层面：

    // 操作系统维护的键盘缓冲区
#define KEY_BUFFER_SIZE 128
char key_buffer[KEY_BUFFER_SIZE];
int buffer_index = 0;

    • 当缓冲区快满时（比如已经存了120个键）：

      • 键盘会亮起指示灯警告（就像办公室挂出"排队已满"的牌子）

      • 新按的键可能被丢弃（就像后来的学生被劝退）

  3. 用户感知：

    • 你会看到字符一个接一个出现，可能有轻微延迟

    • 高端键盘（如机械键盘）的"防鬼键"技术就像增加了更多老师助理

例如

  • 键盘轮询速率：普通键盘100-1000Hz，相当于老师每分钟能接待100-1000个学生

  • N-key Rollover：游戏键盘的"全键无冲"就像办公室开了10个接待窗口

 

总结的来说，任何计算机对象，在进行管理的时候都需要遵守“先描述，再组织”这一原则。这也是现在主流的面向对象的语言，都要提供1、面向对象。2、标准库的原因。

计算机管理硬件
1、描述起来，用struct结构体。
2、组织起来，用链表或者其他的高效的数据结构

三、系统调用与库函数概念：

我们以买外卖的两种方式来进行比较：

场景系统调用库函数
点外卖方式直接打电话给餐厅老板（内核）使用外卖APP（如美团）
操作复杂度需要说清楚所有细节一键下单，自动填充常用信息
安全性餐厅老板可能拒绝奇怪要求APP会过滤危险请求
效率慢（每次都要详细沟通）快（自动记忆历史订单）
灵活性可以提特殊要求（多加辣）只能选APP提供的选项

实质上

对比维度系统调用库函数
定义操作系统内核提供的底层服务接口开发者封装的函数集合
执行权限需要切换到内核态（高权限）在用户态运行（普通权限）
性能开销高（需上下文切换）低（无模式切换）
功能范围基础硬件操作（如读写磁盘）复杂功能组合（如格式化输出）
稳定性长期不变（接口稳定）可能随版本变化
示例open(), fork(), write()printf(), fopen(), malloc()

库函数就是对系统调用接口的封装，方便我们安全的，高效的处理任务。 

就好比政府的基础服务一样

  • 就像你去政务大厅办理身份证（必须本人亲自到场）

  • 每次都要安检切换（用户态→内核态）（用户态和内核态是操作系统最核心的安全机制，它们就像计算机世界的"平民区"和"特权区"，其实就是权限的不同）

  • 只能办理基础业务（不能一站式解决所有问题）

库函数就是一个便民APP

  • 就像使用政务APP在线办事

  • 无需亲自到场（全程用户态完成）

  • 整合多个服务（如同时预约医保+社保）

 

 

  •  在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，就叫做系统调用
  • 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求也相对较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成了库。有了库，就更有利于上层用户或者开发者进行二次开发

结语

操作系统作为计算机系统的核心，不仅是硬件与软件之间的桥梁，更是现代数字世界的基石。它通过高效、安全地管理资源，让复杂的计算机操作变得简单易用，使开发者能专注于创新，而无需深陷底层细节。

从按下电源键的那一刻起，操作系统便开始无声地协调一切——它像一位无形的指挥家，确保每个组件和谐运作；又像一位智慧的管家，让技术服务于人，而非成为负担。

理解操作系统，不仅是学习计算机科学的关键，更是洞察数字时代运行逻辑的窗口。无论是开发者、研究者还是普通用户，认识其背后的管理哲学，都能让我们更高效地驾驭技术，探索更广阔的可能性。

正如计算机先驱艾伦·凯所言：“真正优秀的软件不是让人惊叹它能做什么，而是让人忘记它需要存在。”

操作系统，正是这样的存在。

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编程日记 2025/8/3 13:40:57

普通IT的股票交易成长史--20250509晚复盘

声明&#xff1a; 本文章的内容只是自己学习的总结&#xff0c;不构成投资建议。价格行为理论学习可参考简介中的几位&#xff0c;感谢他们的无私奉献。 送给自己的话&#xff1a; 仓位就是生命&#xff0c;绝对不能满仓&#xff01;&#xff01;&#xff01;&#xff01;&…...

编程日记 2025/7/30 20:43:47

切比雪夫不等式专题习题

切比雪夫不等式专题习题 前言 本文为概率论习题集专栏的切比雪夫不等式专题习题&#xff0c;共设计10道由浅入深的习题&#xff0c;涵盖基本概念、计算应用、理论证明与实际场景应用。建议先独立完成后再参考解析篇。 一、基础概念题 习题1&#xff1a; 判断题&#xff08;…...

编程日记 2025/8/2 13:19:35

JAVA包装类

一、基本数据类型 1.整型类型&#xff1a; 用于表示整数数值&#xff0c;不包含小数部分。 类型位数取值范围默认值示例byte8-128 至 1270byte num 100;short16-32,768 至 32,7670short num 5000;int32-2,147,483,648 至 2,147,483,6470int num 100000;long64-2^63 至 2^…...

编程日记 2025/8/3 17:10:56

[特征工程]机器学习-part2

1 特征工程概念 特征工程:就是对特征进行相关的处理 一般使用pandas来进行数据清洗和数据处理、使用sklearn来进行特征工程 特征工程是将任意数据(如文本或图像)转换为可用于机器学习的数字特征,比如:字典特征提取(特征离散化)、文本特征提取、图像特征提取。 特征工程步骤…...

编程日记 2025/8/2 22:25:56

布隆过滤器：高效的数据结构与应用详解

引言 在处理大规模数据时&#xff0c;如何高效地判断某个元素是否存在于集合中是一个常见问题。传统的数据结构&#xff08;如哈希表&#xff09;虽然可以解决这一问题&#xff0c;但在存储空间和查询效率上可能存在瓶颈。布隆过滤器&#xff08;Bloom Filter&#xff09;作为…...

编程日记 2025/8/4 7:53:29