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本章学习地图Learning Map
| 核心问题 | 对应小节 | 你将得到的关键结论 |
|---|---|---|
| 为什么需要操作系统？ | 3.1 | 批处理 → 交互式 → 实时 → 分时/多道程序设计，一路为“效率与共享”而生 |
| 操作系统由什么组成？ | 3.2 ★ | 用户界面管交互，内核五组件（文件/驱动/内存/调度/分派）管资源 |
| 多个程序如何“同时”运行？ | 3.3 ★ | 进程 + 时间片 + 中断 + 上下文切换，快速切换制造“同时”的错觉 |
| 进程抢资源怎么办？ | *3.4 ★ | 信号量实现互斥；死锁三条件缺一不可，破坏任意一条即可破解 |
| 系统如何抵御攻击？ | 3.5 | 对外靠帐户/登录/审计，对内靠特权指令/特权级别，身份验证上多因素 |
学完本章你将能够
① 说出批处理、分时、多道程序设计的区别；② 画出软件分层并指出内核五组件；③ 描述 booting 的全过程；④ 解释进程与时间片、中断、上下文切换的关系；⑤ 用信号量说明互斥，列举死锁三条件及破解思路；⑥ 区分审计软件与嗅探软件，说出多因素认证的三类因素。
3.1
操作系统的历史The History of Operating Systems
作业 job：交给计算机执行的一件独立工作（a unit of work submitted to the computer）。早期计算机一次只能处理一个作业，昂贵的机器大量时间在“等人”。操作系统正是为了让机器不停转、让更多人共享它而一步步演化出来的。
批处理：让作业排成队Batch Processing & Job Queue
Batch Processing
批处理
把若干作业收集成批，交由计算机自动地一个接一个执行，中间无需人工干预。作业队列 job queue 是存放等待作业的队列。
例子：食堂取餐窗口——大家排成一队（FIFO 先进先出），窗口按顺序服务，无需收银员记住谁先谁后。
Queue · FIFO
队列 · 先进先出
队列 queue 是新成员排在队尾、队首成员先被服务的数据结构，规则称为先进先出 FIFO（first-in, first-out）。
对应第 1 章：队列可用主存中的一段连续单元实现，辅以头指针与尾指针。
动画演示：作业队列 FIFO 排队执行
点击“自动演示”，观看作业按 FIFO 顺序出队执行。
图 3-1 作业队列：新作业排在队尾，CPU 总是从队首取作业执行（FIFO）
交互式与实时：机器开始“伺候人”Interactive & Real-time Processing
Interactive Processing
交互式处理
程序执行过程中需要与用户来回交互（word processing、游戏、查询系统）。批处理做不到——它要求机器随叫随应。
例子：你在编辑器里每敲一个字，屏幕立刻更新——这就是交互。
Real-time Processing
实时处理
必须在严格的时限内完成响应的处理。错过期限 = 出错，而不仅仅是“慢一点”。
例子：汽车防抱死制动系统 ABS——刹车指令必须在毫秒级内生效；工业流水线控制、航班订票系统同理。
分时与多道程序设计：把 CPU 切成“共享蛋糕”Time-sharing & Multiprogramming
Time-sharing
分时
多个用户通过终端同时连一台机器，CPU 把时间切成小片轮流服务，每人感觉“独占整机”。
例子：机房 40 名同学共用一台服务器写程序，谁也不觉得卡。
Multiprogramming
多道程序设计
主存中同时存放多个作业，一个等待 I/O 时立刻切换到另一个执行——核心手法就是 时间片轮换。
关键点：“同时运行多个程序”是快速切换制造的错觉，微观上 CPU 任一时刻只做一件事。
Multitasking
多任务处理
把分时思想用到单用户机器上：一个用户同时开浏览器、音乐、文档——单用户版的多道程序设计。
例子：你的笔记本电脑此刻正在做的事。
| 概念 | English | 一句话释义 |
|---|---|---|
| 负载均衡 | load balancing | 多台机器之间动态转移任务，让各机负载大致相当（集群/云平台的日常） |
| 均分 / 缩放 | scaling | 按需求增减机器数量：购物节临时加服务器，节后撤掉 |
| 嵌入式系统 | embedded system | 藏在手机、家电、汽车里的专用计算机系统，专用 OS 常驻其中 |
本节小结 · 3.1
- 操作系统为解决“机器等人”而生：批处理 + 作业队列（FIFO）让作业自动连续执行。
- 应用推动演化：交互式处理要求随叫随应，实时处理要求限时完成（如 ABS）。
- 分时 / 多道程序设计 / 多任务的共同内核：时间片快速切换，制造“同时执行”的错觉；负载均衡、均分与嵌入式系统是它的现代延伸。
3.1 课堂练习单选题 · 四个选项只有一项正确
Q1多道程序设计（multiprogramming）制造“多个程序同时执行”效果的核心做法是？
A为每个程序配备一颗独立的 CPU
B把 CPU 时间切成时间片，在程序间快速切换
C让每个程序轮流独占整机一整天
D将所有作业收集成批，一次性顺序执行
多道程序设计 = 时间片 + 快速切换，制造“同时执行”的错觉；D 说的是批处理。
Q2作业队列（job queue）决定作业执行顺序的规则是？
A先进先出（FIFO），先到队首的作业先执行
B后进先出（LIFO），最后入队的先执行
C按作业长度从短到长执行
D随机抽取一个作业执行
队列 queue 的定义就是先进先出 FIFO。
3.2
操作系统的体系结构Operating System Architecture
要理解操作系统，先看它在整个软件世界的位置。软件分为应用软件 application software与系统软件 system software两大类；系统软件又分为实用软件 utility software（扩充 OS 的常用工具，如备份、压缩、杀毒）与操作系统 operating system 本身。
图 3-2 软件分类：操作系统是系统软件的核心，实用软件依附并扩充它
图 3-3 分层视角：用户 → 用户界面 → 内核 → 硬件（AI 绘制示意图）
用户界面：人与内核之间的接口User Interface: Shell & GUI
Shell
外壳（文本界面）
通过键盘命令与 OS 通信的用户界面。敲一行命令，外壳解释并转交内核执行。
例子：Linux 的 bash、Windows 的 PowerShell。ls 一回车，文件列表立刻出现。
GUI · Window Manager
图形用户界面 · 窗口管理程序
GUI（graphical user interface）用图标与窗口交互；其中负责在屏幕上分配、管理窗口块的程序称为窗口管理程序 window manager。
例子：拖动窗口、最小化、切换虚拟桌面——都是窗口管理程序在工作。
内核：操作系统的“内脏”The Kernel: Five Components
OS 中执行最基本功能的内部部分称为内核 kernel。它由五大组件构成：
| 内核组件 | English | 职责与例子 |
|---|---|---|
| 文件管理程序 | file manager | 维护海量存储器上的文件与目录记录；例子：你建文件夹、删文件，都是它在记账 |
| 设备驱动程序 | device driver | 与打印机、磁盘等外设通信的软件；例子：换台新打印机就要装对应驱动 |
| 内存管理程序 | memory manager | 统筹主存空间的分配与回收；例子：多开几个 App 也不互相踩内存 |
| 调度程序 | scheduler | 决定哪些进程就绪、谁优先（3.3 节细讲） |
| 分派程序 | dispatcher | 控制时间片的分配，响应中断、切换进程（3.3 节细讲） |
类比记忆
餐厅：服务员 = 用户界面（接收你的点单）；后厨 = 内核（采购=设备驱动，库存=文件管理，灶台分配=内存管理，上菜顺序=调度，出菜=分派）。顾客永远不需要进后厨。
扩展 · 网络资源
今天最流行的开源内核 Linux 由 Linus Torvalds 于 1991 年发布；它驱动着全球绝大多数服务器、全部 Android 手机与绝大多数超级计算机。你手机里的软件分层（App → Android 框架 → Linux 内核 → 硬件）与本图完全同构。
引导：机器如何“自己站起来”Booting: Starting the Machine
开机时主存几乎是空的——操作系统是怎么“自己站起来”的？答案是 booting（引导）：
| 步骤 | 动作 | 关键点 |
|---|---|---|
| ① | 开机，CPU 执行 ROM 中的引导装入程序 boot loader | boot loader 永久存于 ROM |
| ② | 把操作系统从海量存储器（磁盘）的预定位置调入主存 | 复制到主存 |
| ③ | 引导 CPU 跳转（JUMP）到主存中的 OS 区域 | 控制权移交 |
| ④ | 操作系统接管，开始控制机器活动 | OS 正式“上岗” |
| ⑤ | 用户请求 → 执行实用/应用程序 → 回到 OS | 日常循环 |
Read-Only Memory
只读存储器 ROM
内容可读不可改、断电不丢失，因此适合永久存放引导装入程序。
例子：电脑按下电源键那一刻，最先醒来的不是 Windows，而是 ROM 里那段小小的引导程序。
Firmware
固件
固化在 ROM/EPROM/闪存中、直接控制硬件的小型软件；更新它称为 firmware update。
例子：路由器、鼠标、耳机的“固件升级”推送。
变体
嵌入式设备（如手机）从闪速存储器（非易失）复制 OS；机房工作站可通过网络从远程机器复制 OS（网络启动 PXE）。英文 booting 源自 bootstrapping——“提着自己的靴带把自己拉起来”。
本节小结 · 3.2
- 软件分应用软件与系统软件；系统软件中，实用软件扩充 OS，操作系统是核心。
- OS = 用户界面（shell/GUI/窗口管理程序）+ 内核五组件（文件/驱动/内存/调度/分派）。
- booting：ROM 中的引导装入程序 → 把 OS 从磁盘调入主存 → 跳转移交控制权；ROM 与固件是启动的根基。
3.2 课堂练习单选题 · 四个选项只有一项正确
Q3下列哪一项不属于操作系统内核的组件？
A文件管理程序（file manager）
B设备驱动程序（device driver）
C图形用户界面（GUI）
D内存管理程序（memory manager）
GUI 属于用户界面；内核 = 文件/驱动/内存/调度/分派五组件。
Q4booting 过程中，引导装入程序（boot loader）永久存放在哪里？
A主存（RAM）的固定地址
B只读存储器（ROM）
C磁盘的操作系统文件里
DCPU 的通用寄存器中
boot loader 永久存放在 ROM 中，开机最先执行。
3.3
协调机器的活动Coordinating the Machine's Activities
3.1 留下一个悬念：时间片切换如何制造“同时”的错觉？本节揭晓。先分清一对最容易混淆的概念：
| 概念 | English | 区别 |
|---|---|---|
| 程序 | program | 静态的指令集合，躺在磁盘上的文件 |
| 进程 | process | 执行程序的动态活动——正在进行的“那一次执行” |
| 进程状态 | process state | 该活动的快照：程序计数器 PC + 各寄存器的当前值 + 相关存储单元 |
例子
同一个微信程序（program）登录两个账号，就是两个进程（process）；乐谱是程序，正在演奏的那一场是进程。只有完整保存进程状态，才能“暂停并稍后重启”一个活动。
进程表与时间片Process Table & Time Slice
Process Table（调度程序维护）
进程表
主存中的信息块，每个进程一项，记录：分配的存储区域、优先级、就绪/等待状态。就绪 ready：可以立即继续执行；等待 waiting：因等外部事件（如磁盘读完）而暂停。
类比：医院叫号系统——就绪=坐在候诊区，等待=去做检查了，叫到号就进诊室。
Time Slice（分派程序发放）
时间片
把时间切成小片段（通常毫秒/微秒级），每个进程一次只执行一个时间片。从一个进程换到另一个进程 = 进程切换 process switch / 上下文切换 context switch。
关键点：切换时必须先把当前进程状态完整存入进程表，下次才能原样恢复。
动画演示：时间片轮转与上下文切换
红线是“现在”。观察 A/B/C 三个进程如何轮流获得时间片。
图 3-4 分派程序轮流发放时间片；每次切换都要先保存进程状态（上下文切换）
中断：时间片的“闹铃”Interrupt: The Alarm Clock
| 步骤 | 动作 |
|---|---|
| ① | 分派程序给进程分配时间片，同时启动计时器电路 |
| ② | 计时器到点，产生中断信号 interrupt；CPU 完成当前机器周期，保存当前进程位置 |
| ③ | CPU 转去执行主存中预定位置的中断处理程序 interrupt handler（分派程序的一部分） |
| ④ | 分派程序从进程表的就绪进程中选优先级最高者，重启计时器，开启下一个时间片 |
中断的优先级
中断用途很广：不同中断信号有不同优先级，最高级通常留给电源故障——相关例程抢在电压消失前几毫秒完成“内务”处理（保存关键数据）。中断的本质：抢占当前进程，把控制权传回分派程序。
本节小结 · 3.3
- 进程 = 执行程序的动态活动；进程状态（PC+寄存器值）使“暂停并稍后重启”成为可能。
- 调度程序管进程表（就绪/等待、优先级）；分派程序发时间片、响应中断、做上下文切换。
- 中断 = 时间片结束的闹铃：保存现场 → 中断处理程序 → 选最高优先级就绪进程继续。
3.3 课堂练习单选题 · 四个选项只有一项正确
Q5“进程（process）”最准确的定义是？
A存储在磁盘上的静态指令集合
B执行程序的动态活动
C程序计数器中的一个地址
D主存中一段连续的存储区域
进程是“执行程序的动态活动”；静态指令集合是程序。
Q6中断（interrupt）在多任务调度中的作用是？
A让当前进程永久终止，释放内存
B通知打印机任务已完成
C时间片到点时把控制权传回分派程序，开始下一次调度
D把新程序从磁盘复制到主存
计时器到点产生中断，控制权传回分派程序，开始下一次调度。
*3.4
处理进程间的竞争Handle Competition Among Processes
进程不止要“轮流转”，还会抢资源（打印机、文件、存储区域）。抢得不好，轻则数据错乱，重则全体卡死。本节三个关键概念：
Critical Region
临界区
一次只允许一个进程执行的代码段（通常涉及对共享资源的访问）。
例子：单人洗手间——里面有人时，别人必须等。
Mutual Exclusion
互斥
保证“临界区一次只允许一个进程进入”的办法/性质。
例子：洗手间门锁——进去锁门，出来开锁。
Semaphore
信号量
实现互斥的经典机制：一个标志 + 置位 set / 清零 clear 两条原子操作。源自铁路臂板信号机：旗子放下=可以通行，升起=禁止。
难点：“检查并设置”必须是原子操作（test-and-set），否则两个进程可能同时以为“门没锁”。
动画演示：信号量守住临界区（互斥）
绿灯=空闲可进入；红灯=已被占用，其余进程排队等待。
图 3-5 进程 P1 持锁期间，P2/P3 只能等待；P1 退出清零信号量后，P2 才能进入
死锁：进程间的“僵持”Deadlock
死锁 deadlock：每个进程都在等待已分配给对方的资源，全部被阻塞。
例子
进程 A 占用打印机、申请扫描仪；进程 B 占用扫描仪、申请打印机——谁也不肯先放手，两个进程永远等下去。进程表被这类阻塞进程填满时，新进程连“出生”都做不到。
死锁出现的三个必要条件（缺一不可）：
条件 1
存在对不可共享资源的竞争
如打印机一次只能服务一个进程。
条件 2
资源在不完整的基础上被请求
已拿到一部分，稍后还要再要。
条件 3
资源一旦分配出去，不能强行收回
只能等持有者自愿释放。
| 破解方案 | 做法 | 针对条件 |
|---|---|---|
| 死锁检测与改正 | 检测死锁发生后，强制收回已分配的资源；进程表满时杀死（kill）一些进程释放表项 | 条件 3 |
| 死锁避免 | ① 用假脱机 SPOOLing 把不可共享资源变为“可共享”（打印任务先排队存盘）；② 要求进程一次性请求全部所需资源 | 条件 1、2 |
补充
Python 与 OS——执行 .py 脚本时操作系统会新建进程运行它；模块 os 提供系统无关的 OS 功能接口。多核 OS——调度/分派程序还要决定“哪个进程上哪个核”；多核 CPU 是真正同时运行多个进程，而分时只是快过人类感知的切换。
本节小结 · *3.4
- 临界区需互斥，互斥靠信号量（置位/清零）；SPOOLing 把独占设备变成“假共享”。
- 死锁三条件：不可共享 + 不完整请求 + 不可强收；破坏任意一条即可消除死锁。
- 两条路线：事后“检测与改正”（kill 进程、强制回收），事前“避免”（SPOOLing、一次申请全部资源）。
*3.4 课堂练习单选题 · 四个选项只有一项正确
Q7“互斥（mutual exclusion）”要解决的问题是？
A让多个进程同时访问同一台打印机
B保证临界区一次只允许一个进程执行
C把所有进程按优先级排队执行
D防止用户输入错误口令
互斥 = 临界区一次只允许一个进程执行。
Q8关于死锁（deadlock），下列说法正确的是？
A只要进程竞争资源就必然发生死锁
B死锁三条件满足任意一条即发生死锁
C死锁发生后只能靠重启整个系统解决
D破坏三条件中的任意一条（如 SPOOLing / 一次申请全部资源 / 强制回收）即可消除死锁
三条件缺一不可，破坏任意一条即可（SPOOLing / 一次申请全部资源 / 强制回收）。
3.5
安全性Security
操作系统把守两道防线：对外防未授权访问，对内防已登录程序越权。
对外：帐户、登录与审计Attacks from Outside
Account · Super User · Login
帐户 · 超级用户 · 登录
OS 为每个用户建立帐户 account，记录访问权限；拥有最高权限的超级用户 super user / 管理员 administrator 可创建、删除帐户。登录 login 时核对身份。
例子：学校机房里，老师能装软件，学生不能——权限差别写在帐户记录里。
Auditing vs Sniffing
审计软件 vs 嗅探软件
审计软件 auditing software：记录并分析系统活动，帮管理员发现异常（友军）。嗅探软件 sniffing software：在计算机上偷偷记录活动、并把记录报告给潜在入侵者（敌人）。
记忆：同样记录活动——审计是保安查监控，嗅探是小偷装针孔。
Password Security
口令安全
弱口令是最大短板：可被猜到、被钓鱼、被撞库——单靠口令最不安全。
建议：长口令、不重复、定期更换；更要上多因素认证（见下）。
对内：特权指令与特权级别Attacks from Within
| 机制 | English | 作用 |
|---|---|---|
| 特权指令 | privileged instruction | 只有 OS（高特权级）能执行的危险指令，如直接操作磁盘、修改内存管理表 |
| 特权级别 | privilege level | CPU 的运行级别：普通程序在低级别执行，碰到特权指令会被拦下并通知 OS |
| 威胁 | — | 已登录用户的恶意程序企图绕过权限、偷数据或破坏系统 |
多因素认证：一道口令不够，就上三道Multi-factor Authentication
多因素认证 multi-factor authentication：需要一种以上的证据才授予访问权限。三类因素：
Factor 1 · Knowledge
你知道的东西
口令、PIN 码、密保问题答案。
弱点：可能被猜到、被钓鱼、被撞库。
Factor 2 · Possession
你拥有的东西
ATM 卡、专用安全令牌、特定手机号码的智能手机（接收验证码）。
例子：网银转账 = 银行卡 + 短信验证码。
Factor 3 · Inherence
你自身的特征
指纹、人脸、语音、视网膜图案等生物特征。
例子：手机指纹解锁、人脸支付。
安全逻辑 · 网络资源
单一因素被攻破（口令泄露、手机丢失、指纹被复制）的概率都不为零，但两个以上因素同时被攻破的概率骤降——这就是“多因素”的数学本质。网络上常概括为：something you know / have / are。
| 防线 | 措施 |
|---|---|
| 对外（3.5.1） | 帐户 + 口令 + 登录控制 + 审计软件（检测嗅探）；用户提高口令强度 |
| 对内（3.5.2） | 特权指令 + 特权级别管住程序行为；多因素认证管住“人”的身份 |
本节小结 · 3.5
- 外部防线：帐户/管理员/登录 + 审计软件盯活动、查嗅探；弱口令是最大短板。
- 内部防线：特权指令与特权级别，让普通程序碰不到危险操作。
- 多因素认证 = 知道的 + 拥有的 + 自身的，两类以上证据组合才放行。
3.5 课堂练习单选题 · 四个选项只有一项正确
Q9嗅探软件（sniffing software）是指？
A在计算机上偷偷记录活动、并把记录报告给潜在入侵者的软件
B记录并分析系统活动、帮助管理员发现异常的实用软件
C为不同授权用户建立帐户的系统工具
D把口令加密后存入 ROM 的固件
嗅探软件是“窃听器”；B 描述的是审计软件，二者正相反。
Q10下列哪组全部属于多因素认证的三个因素类别？
A口令、口令强度、登录时间
B指纹、视网膜图案、语音——都属于同一类别即可
C你知道的（口令）、你拥有的（手机/令牌）、你自身的（指纹）
D用户名、密码、验证码
know / have / are 三类因素；D 三样其实都属于“你知道的”。
KEY
课堂练习参考答案Answer Key
参考答案（共 10 题）
Answer Key with One-line Explanations
| 小节 | 题号 | 答案 | 一句话解析 |
|---|---|---|---|
| 3.1 历史 | Q1 | B | 多道程序设计 = 时间片 + 快速切换，制造“同时执行”的错觉；D 说的是批处理 |
| Q2 | A | 队列 queue 的定义就是先进先出 FIFO | |
| 3.2 体系结构 | Q3 | C | GUI 属于用户界面；内核 = 文件/驱动/内存/调度/分派 |
| Q4 | B | boot loader 永久存放在 ROM 中，开机最先执行 | |
| 3.3 协调活动 | Q5 | B | 进程是“执行程序的动态活动”；静态指令是程序 |
| Q6 | C | 计时器到点产生中断，控制权传回分派程序，开始下一次调度 | |
| *3.4 竞争 | Q7 | B | 临界区一次只允许一个进程执行 = 互斥 |
| Q8 | D | 三条件缺一不可，破坏任意一条即可（SPOOLing / 一次申请全部资源 / 强制回收） | |
| 3.5 安全性 | Q9 | A | 嗅探软件是“窃听器”；B 描述的是审计软件，二者正相反 |
| Q10 | C | know / have / are 三类因素；D 三样其实都属于“你知道的” |
速记：3.1 → B A ｜ 3.2 → C B ｜ 3.3 → B C ｜ *3.4 → B D ｜ 3.5 → A C
易错点提醒
① 进程 ≠ 程序（Q5）；② 嗅探 vs 审计，一敌一友（Q9）；③ 死锁是“三条件缺一不可”而不是“竞争就死锁”（Q8）。
ABC
本章重点名词中英对照Glossary
★ 为考试高频词
| 中文 | English | 一句话释义 |
|---|---|---|
| 操作系统 ★ | operating system (OS) | 协调内部活动、管理与外部通信的软件包 |
| 批处理 / 作业队列 | batch processing / job queue | 作业成批自动执行 / FIFO 排队等待 |
| 分时 / 多道程序设计 ★ | time-sharing / multiprogramming | 多用户共享 / 时间片轮换造成同时错觉 |
| 多任务处理 | multitasking | 单用户版的多道程序设计 |
| 嵌入式系统 | embedded system | 手机、家电、车载设备中的计算机系统 |
| 用户界面 / 外壳 / 图形界面 | user interface / shell / GUI | 用户与内核之间的接口 |
| 内核 ★ | kernel | 文件+驱动+内存+调度+分派五组件 |
| 引导 / 引导装入程序 ★ | booting / boot loader | 把 OS 从磁盘调入主存的过程 / ROM 中的启动程序 |
| 只读存储器 / 固件 | ROM / firmware | 可读不可改的存储 / 固化其中的软件 |
| 进程 / 进程状态 ★ | process / process state | 执行程序的活动 / PC+寄存器快照 |
| 进程表 / 就绪 / 等待 | process table / ready / waiting | 调度程序维护的进程档案 |
| 时间片 / 上下文切换 ★ | time slice / context switch | 分派的最小时间单位 / 切换进程 |
| 中断 / 中断处理程序 | interrupt / interrupt handler | 时间片结束信号 / 响应它的例程 |
| 临界区 / 互斥 / 信号量 ★ | critical region / mutual exclusion / semaphore | 独占执行的代码段及其实现机制 |
| 死锁 / 假脱机 ★ | deadlock / SPOOLing | 互相等待的僵局 / 打印类任务的排队共享术 |
| 管理员 / 审计与嗅探 / 多因素认证 | administrator / auditing & sniffing / multi-factor authentication | 超级用户 / 一防一贼 / 三类证据组合 |
下一章预告
第 4 章 组网及因特网 Networking and the Internet——一台机器已不够，让我们把它们连起来。
第 3 章 · 操作系统 —— 完