💻 作業系統基礎學習指南

🎯 作業系統的定義

作業系統 (Operating System, OS) 是管理電腦硬體與軟體資源的系統軟體，它是電腦與使用者之間的橋樑。

🔧 作業系統的主要功能

🏗️ 作業系統的組成

┌─────────────────────────────────────────┐
│           使用者介面 (Shell)             │
├─────────────────────────────────────────┤
│           核心 (Kernel)                  │
│  ┌─────────┬─────────┬───────────────┐  │
│  │程序管理│記憶體管理│ CPU 排程     │  │
│  ├─────────┼─────────┼───────────────┤  │
│  │檔案系統│ I/O 管理│ 安全機制     │  │
│  └─────────┴─────────┴───────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────┤
│           硬體 (Hardware)                │
└─────────────────────────────────────────┘
                

📝 什麼是程序 (Process)？

程序是正在執行的程式，是作業系統進行資源分配的基本單位。

🔄 程序的生命週期

                    ┌──────────┐
                    │   新建   │ (New)
                    └────┬─────┘
                         │ 建立程序
                    ┌────▼─────┐
                    │  就緒    │ (Ready) ◄────────┐
                    └────┬─────┘                 │
                         │ CPU 排程              │
                    ┌────▼─────┐                 │
                    │  執行中  │ (Running) ───────┤
                    └────┬─────┘                 │
                         │ I/O 請求              │
                    ┌────▼─────┐     ┌─────────┐ │
                    │  等待    │────►│ 就緒    │─┘
                    │ (Waiting)│ I/O 完成 └─────────┘
                    └────┬─────┘
                         │ 完成執行
                    ┌────▼─────┐
                    │  終止    │ (Terminated)
                    └──────────┘
                

📊 程序的組成要素

• 程式碼 (Text Segment)：存放執行的指令
• 資料 (Data Segment)：存放全域變數和靜態變數
• 堆疊 (Stack)：存放函數呼叫、區域變數
• 堆積 (Heap)：存放動態配置的記憶體

┌──────────────────────────┐
│       程式碼區           │ ◄ Code
├──────────────────────────┤
│       全域資料區         │ ◄ Data
├──────────────────────────┤
│          堆積區          │ ◄ Heap (動態配置)
│          ↓              │
│          ↑              │
│         堆疊區          │ ◄ Stack (函數呼叫)
└──────────────────────────┘
                

🔀 程序控制區塊 (PCB)

作業系統使用 PCB (Process Control Block) 來追蹤每個程序的狀態：

🎯 記憶體管理的目標

• 有效利用記憶體空間
• 讓多個程式同時存在記憶體中
• 保護程序的記憶體不被其他程序存取
• 提供記憶體擴充的假象（虛擬記憶體）

🗂️ 記憶體配置方式

🔲 分頁系統 (Paging)

┌──────────────┬──────────────┐
│  頁號 (4位)  │ 頁內位移 (12位)│
└──────────────┴──────────────┘
     │                   │
     ▼                   ▼
┌─────────┐      ┌─────────┐
│ 頁表     │      │ 頁框     │
│ 查詢     │      │ 位址     │
└────┬────┘      └────┬────┘
     │                │
     ▼                ▼
┌─────────────────────────────┐
│   實體位址 = 頁框號 + 位移   │
└─────────────────────────────┘
                    

🧠 虛擬記憶體 (Virtual Memory)

使用硬碟空間來擴充記憶體，讓程式認為有更多記憶體可用。

📊 排程的層級

• 長期排程：決定哪些程式載入記憶體（工作排程）
• 中期排程：決定哪些程式換出記憶體（置換）
• 短期排程：決定哪個就緒程序獲得 CPU（CPU 排程）

⚡ 排程算法

⏱️ 排程效能指標

• CPU 利用率：CPU 忙碌時間的比例
• 吞吐量 (Throughput)：單位時間完成的工作數
• 週轉時間 (Turnaround Time)：提交到完成的總時間
• 等待時間 (Waiting Time)：在就緒佇列中的時間
• 回應時間 (Response Time)：提交到首次回應的時間

📋 死結的必要條件

四個條件才會發生死結：

1. 互斥 (Mutual Exclusion)：資源不能被共享
2. 持有並等待 (Hold and Wait)：持有資源並等待其他資源
3. 非搶奪 (No Preemption)：資源不能被強制奪取
4. 循環等待 (Circular Wait)：形成資源等待環

🛡️ 處理死結的方法

📁 檔案系統的功能

• 提供檔案的抽象化介面
• 管理檔案的建立、讀取、寫入、刪除
• 提供目錄結構組織檔案
• 控制檔案的存取權限
• 管理磁碟空間配置

🗂️ 常見的檔案系統

💾 磁碟空間配置方式

🔌 I/O 設備分類

⚙️ I/O 傳輸方式

📚 重點回顧

1. 作業系統是管理電腦資源的系統軟體
2. 程序是資源分配的基本單位，透過 PCB 管理
3. 記憶體管理包含配置、保護和虛擬記憶體
4. CPU 排程決定哪個程序獲得 CPU 時間
5. 死結需要四個條件同時滿足才能發生
6. 檔案系統管理檔案的儲存和存取

📝 自我測驗

Q1: 程序的五種狀態是什麼？

Ans: 新建、就緒、執行中、等待、終止

Q2: 分頁和分段有什麼不同？

Ans: 分頁是固定大小，分段是依邏輯單位

Q3: 死結的四個必要條件？

Ans: 互斥、持有並等待、非搶奪、循環等待

Q4: 什麼是 PCB？

Ans: Process Control Block，儲存程序資訊的資料結構

🎯 延伸學習資源

• 《Operating System Concepts》- Silberschatz（經典教材）
• 《Modern Operating Systems》- Tanenbaum
• MIT 6.828 課程：Operating System Engineering
• Linux 核心原始碼分析