操作系统【操作系统引论】（上）

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操作系统的概念

 操作系统（OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。

一、操作系统的功能和目标

1.作为系统资源的管理者

提供的功能分为：处理机管理，存储器管理，文件管理和设备管理。
目标：使进程运行安全和高效。
例：用QQ和朋友视频聊天
1.在各个文件夹中找到QQ安装的位置——>文件管理
2.双击打开QQ.exe（需把该程序相关数据放入内存）——>存储器管理
3.QQ程序正常运行（对应的进程被CPU处理）——>处理机（CPU）管理
4.开始和朋友视频聊天（需将摄像头设备分配给进程）——>设备管理
ps:进程是一个程序的执行过程，执行钱需要将该程序放到内存中才可被CPU处理。

2.作为用户和计算机硬件间的接口

提供的功能包括：命令接口，程序接口，GUI（图形用户界面）。
目标：方便用户使用计算机
命令接口：允许用户直接使用。可分为联机命令接口和脱机命令接口。联机命令接口：用户说一句，系统做一句；脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆。联机命令接口=交互式命令接口，脱机命令接口=批处理命令接口
程序接口：允许用户通过程序间接使用。由一组系统调用组成。如C:\Windows\system32\user32.dll程序员在程序中调用user32.dll（该调用过程即为系统调用）即可实现创建窗口等功能，只能通过用户程序间接使用。
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口。如Windows,安卓，iOS，macOS的图形化操作界面。

3.对硬件机器的扩充

二、操作系统的特征

1.并发性

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。
并行：指两个事件或多个事件在同一时刻同时发生。
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序的交替执行。当今的计算机一般都是多核CPU如Intel八代i3处理器为4核CPU，意味着同一时刻可以有四个程序并行执行，但是操作系统的并发性依旧必不可少

2.共享性

共享：即资源共享，是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。
两种资源共享方式：
(1)互斥共享方式：在一个时间段内只允许一个进程访问该资源。如使用QQ和微信视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
(2)同时共享方式：允许一个时间段内由多个进程“同时”对他们访问。如使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B，从宏观上看两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问磁盘资源，微观上看两个进程是交替着访问硬盘的。
所谓“同时”是宏观上的，在微观上是交替的对资源进行访问（即分时共享）
并发性和共享性的关系：
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性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。
实例：
使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B
1.两个进程正在并发执行——>如失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去意义。
2.需要共享地访问硬盘资源——>如失去共享性，则QQ和微信不可同时访问硬盘资源，无法实现同时发送文件，也就无法并发。
并发性和共享性为操作系统两个最基本的特征，二者互为存在条件。

3.虚拟性

虚拟：指把一个物理的实体变为若干个逻辑上的对应物。
虚拟技术：
（1）空分复用技术（如虚拟存储器技术）
例：当运行一个游戏需要4GB运行内存，计算机中其他正在运行的程序占用大约1GB，那么为何还可以在计算机上正常运行呢？
答：这就是虚拟处理器技术，实际上只有4GB内存，在用户看来远远大于4GB。
（2）时分复用技术（如虚拟处理器）
例：某单核计算机中用户打开了多个软件，问：既然是一个程序需被分配CPU才可正常执行，那么为何单核CPU电脑中可同时运行多个程序？
答：这是虚拟存储器技术，实际上只有一个单核CPU，在用户看来有多个CPU同时为自己服务。
虚拟技术中的“时分复用技术”微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

4.异步性

异步：在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并非一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

三、操作系统的发展和分类

1.手工操作阶段

主要缺点：用户独占全机人机速度矛盾导致资源利用率低。

2.单道批处理系统阶段

引入脱机输入/输出技术（用磁带完成）并监督程序负责控制作业的输入和输出。
监督程序：操作系统的雏形。
主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束后才能调入下一道程序，cpu有打量时间在空闲等待I/O完成，资源可利用率依旧很低

3.多道批处理系统阶段

较单道批处理系统而言，磁带可往内存中输入多道程序。操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行，各个程序并发执行。
主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统的吞吐量增大。
主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）

4.分时操作系统阶段

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机交互。
主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题，允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机操作相互独立，感受不到别人的存在。
主要缺点：不能优先处理一些紧急任务，操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区别人物紧急性。

5.实时操作系统

（1）硬实时系统：必须在绝对严格规定时间内完成处理。如导弹控制系统，自动驾驶系统。
（2）软实时系统：能接受偶尔违反时间规定。如火车订票系统。
主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某紧急任务不需时间片排队。
在实时操作系统的控制下，计算机系统接受到外部信号后及时处理，并且要在严格时限内处理完事件，实时操作系统主要特点是及时性和可靠性。

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总结

以上是本人通过外站上的学习进行的总结，希望对和我一样学习操作系统的人一点点帮助。