1.1操作系统的基本概念

题目来源：王道2020计算机操作系统，资料来源：王道2020计算机操作系统

操作系统典型观点：

1、操作系统是用户和计算机之间的接口

2、操作系统是资源的管理者

3、操作系统是虚拟机

操作系统是众多软件的集合，不是操作系统典型观点，（只是从量上说明，没有说出操作系统的真正作用）

多道程序设计技术是将一个以上的作业放在主存中，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理器、外设以及其他资源

并发：两个或多个事件在同一时间间隔发生

并行：两个或多个事件在同一时间发生

单核CPU：同一时刻只能执行一个程序，多个程序只能并发地执行

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多核CPU：同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行执行

1.1.2 操作系统的特征
操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。
1）并发
并发是指两个或多个事件在同一时间内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中，引入进程的目的是使程序能并发执行。操作系统的并发性是通过分时得以实现的。
注意，并行性是指系统具有可以同时进行运算或操作的特性，在同一时刻完成两种或两种以上的工作。并行性需要相关的硬件的支持，如多流水线或多处理机硬件机制。
2）共享
资源共享即共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。共享可分为以下两种资源共享方式：
（1）互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
为此，当进程A访问某资源时，必须先提出请求，如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给进行A使用，此后若再有其他进程也要访问该资源时（只要A未完成）则必须等待。仅当进程A访问并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们都要求彼此互斥地共享。
（2）同时访问方式
系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替对该资源进行访问即“分时共享”。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享，即若干个用户同时访问该文件。
互斥共享，是因为一种资源在一段时间内只能满足一个请求，否则就会出现严重的问题。而同时访问的共享，通常要求，一个请求分几个时间片间隔地完成的效果，与连续完成的效果相同。
并发和共享我操作系统两个最基本的特征，这两者有事互为存在条件的：资源共享是以进程的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题；若系统不能对资源共享实施有效的管理，也将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
3）虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。在操作系统中，利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。
在虚拟处理器技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器。利用多道程序设计技术，把一个物理机上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，称为虚拟处理器。
可以通过虚拟存储技术，将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。
还可以通过虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备。
操作系统的虚拟技术可以归纳为：时分复用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟机存储器等。
4）异步
在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但是由于资源有限，进程的执行不是一管到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是异步性。

1.1.3 操作系统的功能和目标
为了给多道程序提供良好的运行环境，操作系统应具有以下几个方面的工能：处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。为了方便用户使用操作系统，还必须向用户提供接口。同时操作系统可用来扩充机器，以提供更方便的服务、更高的资源利用率。
1）操作系统为计算机系统资源的管理者
（1）处理机管理
在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。并发时在计算机内同时运行多个进程，所以，进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、合理共享就是进程管理的最主要的任务。进程管理的主要功能有：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
（2）存储器管理
存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用以及提高内存的利用率，主要包括内存分配、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
（3）文件管理
计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统、文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
（4）设备管理
设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。
2）操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
为方便用户使用计算机，操作系统还提供了用户接口。操作系统提供的接口主要分为两类：一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行；另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。
（1）命令接口
使用命令接口进行作业控制的主要方式有两种，即联机控制方式和脱机控制方式。按作业控制方式的不同，可以将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。
联机命令接口又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统接口。它由一组键盘操作命令组成。用户通过控制台或终端输入操作的命令，向系统提出各种服务要求。用户每输入完一条命令，控制权就转入操作系统的命令解释程序，然后由命令解释程序对输入的命令解释并执行，完成指定的功能。之后，控制权又转回到控制台或终端，此时用户又可以输入下一条命令。
脱机命令接口又称批处理命令接口，即适用于批处理系统，它由一组作业控制命令（或称作业控制语句）组成。脱机用户不能直接干预作业的运行，应事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书，连同作业一起提交给系统。当系统调度到该作业时，由系统中的命令解释程序对作业说明书上的命令或作业控制语句逐条解释执行，从而间接地控制作业的运行。
（2）程序接口
程序接口由一组系统调用命令（简称系统调用，也称为广义指令）组成。用户通过在程序中使用这些系统调用命令来请求操作系统为其提供服务。用户在程序中可以直接使用这组系统调用命令向系统提出各种服务的要求，如使用各种外部设备，进行有关磁盘文件的操作，申请分配和回收内存以及其他各种控制要求。
3）操作系统用作扩充机器
没有任何软件支持的计算机称为裸机，它仅构成计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。裸机在最里层，它的外面是操作系统，由操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器，通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机。