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操作系統

(計算機管理控制程序)

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操作系統(英語:Operating System,縮寫:OS)是一組主管並控制計算機操作、運用和運行硬件、軟件資源和提供公共服務來組織用户交互的相互關聯的系統軟件程序。根據運行的環境,操作系統可以分為桌面操作系統,手機操作系統,服務器操作系統,嵌入式操作系統等。 [12] 
中文名
操作系統
外文名
operating system
英文簡稱
OS
組成部分
內核驅動程序、接口庫、外圍
常見系統
Windows操作系統macOSLinuxGoogle chrome OSiOSAndroid華為鴻蒙系統kaiosipad OSfuchsia OS
特    徵
併發、共享、虛擬、異步
功    能
處理器管理、存儲器管理、設備管理、文件管理、作業管理
基本類型
批處理系統分時操作系統實時操作系統
體系結構
模塊組合結構、層次結構、大內核結構、微內核結構
術語歸類
計算機學科類

操作系統系統簡介

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在計算機中,操作系統是其最基本也是最為重要的基礎性系統軟件。從計算機用户的角度來説,計算機操作系統體現為其提供的各項服務;從程序員的角度來説,其主要是指用户登錄的界面或者接口;如果從設計人員的角度來説,就是指各式各樣模塊和單元之間的聯繫。事實上,全新操作系統的設計和改良的關鍵工作就是對體系結構的設計,經過幾十年以來的發展,計算機操作系統已經由一開始的簡單控制循環體發展成為較為複雜的分佈式操作系統,再加上計算機用户需求的愈發多樣化,計算機操作系統已經成為既複雜而又龐大的計算機軟件系統之一。 [1] 

操作系統發展歷史

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縱觀計算機之歷史,操作系統與計算機硬件的發展息息相關。操作系統之本意原為提供簡單的工作排序能力,後為輔助更新更復雜的硬件設施而漸漸演化。從最早的批量模式開始,分時機制也隨之出現,在多處理器時代來臨時,操作系統也隨之添加多處理器協調功能,甚至是分佈式系統的協調功能。其他方面的演變也類似於此。另一方面,個人計算機之操作系統因襲大型機的成長之路,在硬件越來越複雜、強大時,也逐步實現以往只有大型機才有的功能。
從1946年誕生第一台電子計算機以來,它的每一代進化都以減少成本、縮小體積、降低功耗、增大容量和提高性能為目標,隨着計算機硬件的發展,同時也加速了操作系統(簡稱OS)的形成和發展。 [2] 
最初的電腦沒有操作系統,人們通過各種按鈕來控制計算機,後來出現了彙編語言,操作人員通過有孔的紙帶將程序輸入電腦進行編譯。這些將語言內置的電腦只能由製作人員自己編寫程序來運行,不利於程序、設備的共用。為了解決這種問題,就出現了操作系統,這樣就很好實現了程序的共用,以及對計算機硬件資源的管理。 [2] 
隨着計算技術和大規模集成電路的發展,微型計算機迅速發展起來。從20世紀70年代中期開始出現了計算機操作系統。在美國1976年的時候就研製了DIGITAL RESEARCH軟件公司出8位的CP/M操作系統。這個系統允許用户通過控制枱的鍵盤對系統進行控制和管理,其主要功能是對文件信息進行管理,以實現其他設備文件或硬盤文件的自動存取。此後出現的一些8位操作系統多采用CP/M結構。 [2] 

操作系統主要功能

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計算的操作系統對於計算機可以説是十分重要的,從使用者角度來説,操作系統可以對計算機系統的各項資源板塊開展調度工作,其中包括軟硬件設備、數據信息等,運用計算機操作系統可以減少人工資源分配的工作強度,使用者對於計算的操作干預程度減少,計算機的智能化工作效率就可以得到很大的提升。其次在資源管理方面,如果由多個用户共同來管理一個計算機系統,那麼可能就會有衝突矛盾存在於兩個使用者的信息共享當中。為了更加合理的分配計算機的各個資源板塊,協調計算機系統的各個組成部分,就需要充分發揮計算機操作系統的職能,對各個資源板塊的使用效率和使用程度進行一個最優的調整,使得各個用户的需求都能夠得到滿足。最後,操作系統在計算機程序的輔助下,可以抽象處理計算系統資源提供的各項基礎職能,以可視化的手段來向使用者展示操作系統功能,減低計算機的使用難度。 [3] 
操作系統主要包括以下幾個方面的功能 :
①進程管理,其工作主要是進程調度,在單用户單任務的情況下,處理器僅為一個用户的一個任務所獨佔, 進程管理的工作十分簡單。但在多道程序或多用户的情況 下,組織多個作業或任務時,就要解決處理器的調度、 分配和回收等問題 。
②存儲管理分為幾種功能:存儲分配、存儲共享、存儲保護 、存儲擴張。
③設備管理分有以下功能:設備分配、設備傳輸控制 、設備獨立性。
④文件管理:文件存儲空間的管理、目錄管理 、文件操作管理、文件保護。
⑤作業管理是負責處理用户提交的任何要求。 [2] 

操作系統用途分類

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計算機的操作系統根據不同的用途分為不同的種類,從功能角度分析,分別有實時系統、批處理系統、分時系統、網絡操作系統等。 [4] 
實時系統主要是指系統可以快速的對外部命令進行響應,在對應的時間裏處理問題,協調系統工作。 [4] 
分時系統可以實現用户的人機交互需要,多個用户共同使用一個主機,很大程度上節約了資源成本。 分時系統具有多路性、獨立性、交互性、及時性的優點,能夠將用户-系統-終端任務實現。 [4] 
批處理系統出現於20世紀60年代,批處理系統能夠提高資源的利用率和系統的吞吐量。 [5] 
網絡操作系統是一種能代替操作系統的軟件程序,是網絡的心臟和靈魂,是向網絡計算機提供服務的特殊的操作系統。藉由網絡達到互相傳遞數據與各種消息,分為服務器及客户端。而服務器的主要功能是管理服務器和網絡上的各種資源和網絡設備的共用,加以統合並控管流量,避免有癱瘓的可能性,而客户端就是有着能接收服務器所傳遞的數據來運用的功能,好讓客户端可以清楚的搜索所需的資源。

操作系統體系結構

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操作系統簡單體系結構

計算機操作系統誕生初期,其體系結構就屬於簡單體系結構,由於當時各式各樣影響因素的作用,如硬件性能、平台、軟件水平等方面的限制,使得當時的計算機操作系統結構呈現出一種混亂且結構模糊的狀態,其操作系統的用户應用程序和其內核程序魚龍混雜,甚至其運行的地址和空間都是一致的。這種操作系統實際上就是一系列過程和項目的簡單組合,使用的模塊方法也相對較為粗糙,因此導致其結構宏觀上非常模糊。 [1] 

操作系統單體內核結構

隨着科學技術的不斷髮展和進步,硬件及其平台的水平和性能得到了很大程度的提高,其數量和種類也與日俱增,操作系統的複雜性也逐漸加深,其具備的功能以及性能越來越多,在此背景下,單體內核結構的操作系統誕生並得到了應用,例如UNIX操作系統、windows NT/XP等。一般情況下,單體內核結構的操作系統主要具備以下幾種功能,分別是文件及內存管理、設備驅動、CPU調度以及網絡協議處理等。由於內核的複雜性不斷加深,相關的開發設計人員為了實現對其良好的控制,逐漸開始使用了一些較為成熟的模塊化方法,並根據其不同的功能將其進行結構化,進而將其劃分為諸多的模塊,例如文件及內存管理模塊、驅動模塊、CPU調度模塊及網絡協議處理等。這些模塊所使用的地址和空間與內核使用的完全一致,其以函數調用的方式構建了用於通訊的結構來實現各個模塊之間的通訊。在使用模塊化的方法以後,只要其通訊接口沒有發生明顯的變化,即使整個結構中的任何一個模塊發生變化也不會對結構中的其他模塊造成任何的影響,為其系統的維護和改良擴充提供了便利。雖然單體內核結構的計算機操作系統經過了模塊化的處理,但是其中的全部模塊仍然是在硬件之上、應用軟件之下的操作系統核心中運轉和工作。模塊與模塊之間活動的層次沒有任何的差別。 [1] 

操作系統層次式結構

層次式結構的計算機操作系統是為了減少以往操作系統中各個模塊之間由於聯繫緊密而帶來的各種問題而誕生的,其可以做大程度的減少甚至是避免循環調用現象的發生,確保調用有序,為操作系統設計目標的實現奠定了堅實的基礎。在層次式結構的計算機操作系統之中,其是由諸多系統分為若干個層次的,其最底層是硬件技術,其他每一個層級均是建立在其下一層級之上的。在設計其計算機操作系統內核時,主要採用與抽象數據類型十分類似的設計方法進行的,在系統中的每一個層級均包含着多種數據和操作,且每一個的數據和操作是其他層不可見的,在每一層當中都配備了用於其他層使用的一操作接口,同時每一層發生的訪問行為只能針對其下層進行,不能訪問其上層的數據和服務,嚴格遵守了調用規則,在很大程度上避免了其他層次對某一層次的干擾和破壞。對於理想的層次式計算機系統體系結構來説,其之間的聯繫不僅僅是單向依賴性的,同時各個層級之間也要具備相互的獨立性,且只能對低層次的模塊和功能進行調用,例如THE系統。但是這種理想的全序層次式計算機操作系統在現實中建成是較為困難的,其無法完全避免模塊之間循環調用現象的出現,某個層級之間仍舊存在某種循環關係,這種層次式結構又被叫作半序層次式計算機操作系統,例如SUE操作系統。 [1] 

操作系統微內核結構

微內核計算機操作系統體系結構又可以被叫作客户機結構或者服務器結構,其實際上就是一種將系統中的代碼轉移到更高層次當中,儘可能地減少操作系統中的東西,僅僅保留一個小體積的內核,一般情況下其使用的主要方法就是通過用户進程來實現操作系統所具備的各項功能,具體來説就是用户進程可以將相關的請求和要求發送到服務器當中,然後由服務器完成相關的操作以後在通過某種渠道反饋到用户進程當中。在微內核結構中,操作系統的內核主要工作就是對客户端和服務器之間的通信進行處理,在系統中包括許多部分,每一個部分均具備某一方面的功能,例如文件服務、進程服務、終端服務等,這樣的部分相對較小,相關的管理工作也較為便利。這種機構的服務的運行都是以用户進程的形式呈現的,既不在核心中運行,也不直接地對硬件進行訪問,這樣一來即使服務器發生錯誤或受到破壞也不會對系統造成影響,僅僅只是會造成相對應服務器的崩潰。 [1] 

操作系統外核結構

外核結構的計算機操作系統本質上就是為了獲得更高的性能和靈活性而設計出來的,在系統中,操作系統接口處於硬件層,在內核中提出全部由以往操作系統帶來的抽象,並將重點和關鍵放在了更多硬件資源的複用方面。在操作系統的外核結構中,內核負責的主要工作僅僅為簡單的申請操作以及釋放和複用硬件資源,其由以往操作系統提供的抽象全部在用户空間當中運行。 [1] 
一般情況下,外核結構中的內核主要有三大方面的工作,分別是對資源的所有權進行跟蹤、為操作系統的安全提供保護以及撤銷對資源的訪問行為。在核外,基本上所有的操作系統中的抽象都是以庫的形式呈現出來的,而用户在訪問硬件資源時也是通過庫的調用來完成的。 [1] 

操作系統安全加固

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隨着計算機網絡與應用技術的不斷髮展,信息系統安全問題越來越引起人們的關注,信息系統一旦遭受破壞,用户及單位將受到重大的損失,對信息系統進行有效的保護,是必須面對和解決的迫切課題,而操作系統安全在計算機系統整體安全中至關重要,加強操作系統安全加固和優化服務是實現信息系統安全的關鍵環節。當前,操作系統安全構成威脅的問題主要有系統漏洞、脆弱的登錄認證方式、訪問控制形同虛設、計算機病毒、特洛伊木馬、隱蔽通道、系統後門惡意程序和代碼感染等,加強操作系統安全加固工作是整個信息系統安全的基礎。 [6] 

操作系統安全加固原理

安全加固是指按照系統安全配置標準,結合用户信息系統實際情況,對信息系統涉及的終端主機、服務器、網絡設備、數據庫及應用中間件等軟件系統進行安全配置加固、漏洞修復和安全設備調優。通過安全加固,可以合理加強信息系統安全性,提高其健壯性,增加攻擊入侵的難度,可以使信息系統安全防範水平得到大幅提升。 [6] 

操作系統安全加固方法

安全加固主要通過人工對系統進行漏洞掃描,針對掃描結果使用打補丁、強化賬號安全、修改安全配置、優化訪問控制策略、增加安全機制等方法加固系統以及堵塞系統漏洞、“後門”,完成加固工作。 [6] 

操作系統安全加固流程

安全加固主要包含以下幾個環節:
(1)安全加固範圍確定收集需要進行安全加固的信息系統所涉及的計算機設備、網絡、數據庫及應用中間件的設備情況。 [6] 
(2)制訂安全加固方案根據信息系統的安全等級劃分和具體要求,利用網絡安全經驗和漏洞掃描技術和工具,對加固範圍內的計算機操作系統、網絡設備、數據庫系統及應用中間件系統進行安全評估,從內、外部對信息系統進行全面的評估,檢查這些系統目前安全狀況,根據現狀制定相應的安全加固措施,形成安全加固方案。 [6] 
(3)安全加固方案實施根據制定的安全加固實施方案實施加固,完成後對加固後的系統進行全面的測試和檢查,確保加固對系統業務無影響,並填寫加固實施記錄。 [6] 
(4)安全加固報告輸出根據安全加固實施記錄,編寫最終的安全加固實施報告,對加固工作進行總結,對已加固的項目、加固效果、遺留問題進行彙總統計。 [6] 

操作系統系統虛擬化

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操作系統虛擬化作為容器的核心技術支撐,得到了研究者的廣泛關注。最近幾年,無論是在以SOSP/OSDI為代表的計算機系統領域頂級學術會議上,還是以Google為代表的重要互聯網企業中,都陸續出現了一批操作系統虛擬化的最新研究成果,並且成果數量呈現出逐年增加的總體趨勢。 [7] 
操作系統虛擬化技術允許多個應用在共享同一主機操作系統 (Host OS) 內核的環境下隔離運行, 主機操作系統為應用提供一個個隔離的運行環境, 即容器實例:操作系統虛擬化技術架構可以分為容器實例層、容器管理層和內核資源層。 [7] 
操作系統虛擬化與傳統虛擬化最本質的不同是傳統虛擬化需要安裝客户機操作系統 (Guest OS) 才能執行應用程序,而操作系統虛擬化通過共享的宿主機操作系統來取代 Guest OS。 [7] 

操作系統操作實例

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嵌入式
嵌入式系統使用非常廣泛的系統(如VxWorkseCos、Symbian OS及Palm OS)以及某些功能縮減版本的Linux或者其他操作系統。某些情況下,OS指稱的是一個內置了固定應用軟件的巨大泛用程序。在許多最簡單的嵌入式系統中,所謂的OS就是指其上唯一的應用程序。
iOS是由蘋果公司開發的手持設備操作系統。蘋果公司於2007年1月9日的Macworld 大會上公佈這個系統,以Darwin為基礎,屬於類Unix 的商業操作系統。最初是設計給 iPhone 使用的,後來陸續套用到 iPod touchiPad 以及 Apple TV 等產品上。iOS與蘋果的 Mac OS X 操作系統一樣,屬於類Unix的商業操作系統。原本這個系統名為 iPhone OS,因為 iPad,iPhone,iPod touch 都使用 iPhone OS,所以 2010 年 WWDC 大會上宣佈改名為 iOS(iOS 為美國 Cisco 公司網絡設備操作系統註冊商標,蘋果改名已獲得 Cisco 公司授權)。
Android是一種基於Linux的自由及開放源代碼的操作系統。主要使用於移動設備,如智能手機和平板電腦,由Google公司和開放手機聯盟領導及開發。尚未有統一中文名稱,中國大陸地區較多人使用“安卓”。Android操作系統最初由Andy Rubin開發,主要支持手機。2005年8月由Google收購注資。2007年11月,Google與84家硬件製造商、軟件開發商及電信營運商組建開放手機聯盟共同研發改良Android系統。隨後Google以Apache開源許可證的授權方式,發佈了Android的源代碼。第一部Android智能手機發佈於2008年10月。Android逐漸擴展到平板電腦及其他領域上,如電視、數碼相機、遊戲機、智能手錶等。2011年第一季度,Android在全球的市場份額首次超過塞班系統,躍居全球第一。 2013年的第四季度,Android平台手機的全球市場份額已經達到78.1%。2013年09月24日谷歌開發的操作系統Android在迎來了5歲生日,全世界採用這款系統的設備數量已經達到10億台。
類 Unix
主條目:類Unix
所謂的類Unix家族指的是一族種類繁多的OS,此族包含了System VBSDLinux。由於Unix是The Open Group的註冊商標,特指遵守此公司定義的行為的操作系統。而類Unix通常指的是比原先的Unix包含更多特徵的OS。
類Unix系統可在非常多的處理器架構下運行,在服務器系統上有很高的使用率,例如大專院校或工程應用的工作站
1991年,芬蘭學生林納斯·託瓦茲根據類Unix系統Minix編寫併發布了Linux操作系統內核,其後在理查德·斯托曼的建議下以GNU通用公共許可證發佈,成為自由軟件Unix變種. Linux近來越來越受歡迎,它們也在個人桌面計算機市場上大有斬獲,例如Ubuntu系統。
某些Unix變種,例如惠普HP-UX以及IBM的AIX僅設計用於自家的硬件產品上,而SUNSolaris可安裝於自家的硬件或x86計算機上。蘋果計算機的Mac OS X是一個從NeXTSTEPMach以及FreeBSD共同派生出來的微內核BSD系統,此OS取代了蘋果計算機早期非Unix家族的Mac OS。
經歷數年的披荊斬棘,自由開源的Linux系統逐漸蠶食以往專利軟件的專業領域,例如以往計算機動畫運算巨擘──硅谷圖形公司(SGI)的IRIX系統已被Linux家族及貝爾實驗室研發小組設計的九號項目與Inferno系統取代,皆用於分散表達式環境。它們並不像其他Unix系統,而是選擇內置圖形用户界面。九號項目原先並不普及,因為它剛推出時並非自由軟件。後來改在自由及開源軟件許可證Lucent Public License發佈後,便開始擁有廣大的用户及社羣。Inferno已被售予Vita Nuova並以GPL/MIT許可證發佈。
當前,計算機按照計算能力排名世界500強中472台使用Linux,6台使用Windows,其餘為各類BSD等Unix。
Microsoft Windows
主條目:Microsoft Windows
Microsoft Windows系列操作系統是在微軟給IBM機器設計的MS-DOS的基礎上設計的圖形操作系統。現在的Windows系統,如Windows 2000、Windows XP皆是創建於現代的Windows NT內核。NT內核是由OS/2OpenVMS等系統上借用來的。Windows可以在32位和64位的Intel和AMD的處理器上運行,但是早期的版本也可以在DEC AlphaMIPSPowerPC架構上運行。
雖然由於人們對於開放源代碼操作系統興趣的提升,Windows的市場佔有率有所下降,但是到2004年為止,Windows操作系統在世界範圍內佔據了桌面操作系統90%的市場。
Windows系統也被用在低級和中階服務器上,並且支持網頁服務的數據庫服務等一些功能。最近微軟花費了很大研究與開發的經費用於使Windows擁有能運行企業的大型程序的能力。
Windows XP在2001年10月25日發佈,2004年8月24日發佈服務包2(Service Pack 2),2008年4月21日發佈最新的服務包3(Service Pack 3)。
Windows 7,是由微軟公司(Microsoft)開發的操作系統,內核版本號為Windows NT 6.1。Windows 7可供家庭及商業工作環境:筆記本電腦 、多媒體中心等使用。和同為NT6成員的Windows Vista一脈相承,Windows 7繼承了包括Aero風格等多項功能,並且在此基礎上增添了些許功能。
Windows 10是由美國微軟公司開發的應用於計算機和平板電腦的操作系統,於2015年7月29日發佈正式版。
Windows 10操作系統在易用性和安全性方面有了極大的提升,除了針對雲服務、智能移動設備、自然人機交互等新技術進行融合外,還對固態硬盤、生物識別、高分辨率屏幕等硬件進行了優化完善與支持。截至2022年5月26日,Windows 10正式版已更新至Windows 10 21H2版本。 [10] 
微軟的操作系統Windows Vista(開發代碼為Longhorn)於2007年1月30日發售。Windows Vista增加了許多功能,尤其是系統的安全性和網上管理功能,並且其擁有接口華麗的Aero Glass。但是整體而言,其在全球市場上的口碑卻並不是很好。其後繼者Windows 7則是於2009年10月22日發售,Windows 7改善了Windows Vista為人詬病的性能問題,相較於Windows Vista,在同樣的硬件環境下,Windows 7的表現較Windows Vista為好。而Windows 10則是於2015年7月29日發售。最新的系統為Windows 11,於2021年6月25日的直播中公佈並發售 [9] 
MacOS X
主條目:MacOS和MacOS X
macOS,前稱“MacOS X”或“OS X”,是一套運行於蘋果Macintosh系列計算機上的操作系統。Mac OS是首個在商用領域成功的圖形用户界面系統。Macintosh開發成員包括比爾·阿特金森(Bill Atkinson)、傑夫·拉斯金(Jef Raskin)和安迪·赫茨菲爾德(Andy Hertzfeld)。從OS X 10.8開始在名字中去掉Mac,僅保留OS X和版本號。2016年6月13日在WWDC2016上,蘋果公司將OS X更名為macOS,現行的最新的系統版本是13.X,即macOS Ventura。 [11] 
Google Chrome OS
主條目:Google Chrome OS
Google Chrome OS是一項Google的輕型的、基於網絡的計算機操作系統計劃,其基於Google的瀏覽器Google Chrome的Linux內核。
2021年6月,華為鴻蒙系統正式亮相,國產操作系統邁出市場化和商業化重要一步。9月30日,面向數字基礎設施的開源操作系統歐拉(openEuler)全新發布,與鴻蒙實現內核技術共享。11月9日,華為攜手社區全體夥伴共同將歐拉開源操作系統正式捐贈給開放原子開源基金會,以推動操作系統產業快速發展。從服務器操作系統,升級為數字基礎設施的操作系統,歐拉能夠支持IT、CT、OT等數字基礎設施全場景,覆蓋服務器、雲、邊、嵌入式等各種設備形態的需求,更好地滿足千行百業數字化轉型的需求。 [8] 
參考資料
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