1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

操作系统(Operating System, OS) 是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

1.1.2 操作系统的特征

1. 并发

• 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
• 并行是指两个或多个事件在同一时刻内发生。

2. 共享

• 互斥共享方式
  当进程A访问某个资源时，必须先提出请求，若此时该资源空闲，则系统便将之分配给进程A使用，此后有其他进程也要访问该资源时(只要A未用完)就必须等待。仅当进程A访问完并释放该资源后，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。计算机系统中的大多数物理设备及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们都要求被互斥地共享。

• 同时访问方式
  系统中还有另一类资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“ 分时共享”的。可供多个进程“同时”访问的典型资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。

#注意 并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件:

• 资源共享是以程序的并发为条件的，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，则必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逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的：而后者是虚的，是用户感觉上的事物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存和虛拟外部设备等。

虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用个处理器的。此时，虽然只有一-个处理器，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都感觉有一个中央处理器(CPU)在专门为它服务。

利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虛拟为多个逻辑上的CPU，称为虚拟处理器。

#补充 操作系统的虚拟技术可归纳为：时分复用技术，如处理器的分时共享;空分复用技术，如虛拟存储器。

4. 异步

由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

1.1.3 操作系统的目标和功能

1.管理功能

1. 处理器管理

• 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。
• 并发是指在计算机内同时运行多个进程，因此进程何时创建、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包括进程控制、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，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、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.接口功能

1. 命令接口

• 联机命令接口
  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的接口。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命令，向系统提出各种服务要求。
  用户每输入一条命令，控制权就转给操作系统的命令解释程序，然后由命令解释程序解释并执行输入的命令，完成指定的功能。之后，控制权转回控制台或终端，此时用户又可输入下一条命令。
  #提示 联机命令接口可以这样理解:“雇主”说一句话，“工人”做一件事，并做出反馈，这就强调了交互性。

• 脱机命令接口
  脱机命令接口又称批处理命令接口，适用于批处理系统，它由一组作业控制命令组成。
  脱机用户不能直接干预作业的运行，而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。系统调度到该作业时，由系统中的命令解释程序逐条解释执行作业说明书上的命令，从而间接地控制作业的运行。
  #提示 脱机命令接口可以这样理解:“雇主”把要“工人”做的事写在清单上，“工人”按照清单命令逐条完成这些事，这就是批处理。

2. 程序接口

程序接口由一组系统调用(也称广义指令)组成。用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其他各种要求。

当前最为流行的是图形用户界面(GUI),即图形接口。GUI最终是通过调用程序接口实现的，严格来说，图形接口不是操作系统的一部分，但图形接口所调用的系统调用命令是操作系统的一部分。