第一章 操作系统引论（2）——操作系统的基本特性

1.6、操作系统的基本特性

       前面所介绍的三种基本操作系统都各自有着自己的特征，如批处理系统具有能对多个作业进行成批处理，以获得高的系统吞吐量的特征，分时系统具有允许用户和计算机进行人机交互特征，实时系统具有实时特征，但它们也都具有并发、共享、虚拟和异步这四个基本特征。其中，并发特征是操作系统最重要的特征，其它三个特征都是以并发特征为前提的。

（1）并发

       所谓程序并发，是指在计算机系统中同时存在多个程序。从宏观上看来，这些程序是同时向前推进的。程序的并发性具体体现在3个方面：用户程序与用户程序之间并发执行，用户程序与操作系统之间并发执行，操作系统与操作系统之间的并发执行。

       区别两个相关但不完全相同的概念，即程序并行与程序并发。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内（注意是同一时间间隔内发生）发生。显然，要实现程序并行必须要有多个处理器，在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。但在单处理器环境中可以实现程序并发，此时这些并发执行的程序是按照某种次序交替地获得处理器并运行的。由于处理器的速度很快，因而从宏观上看，这些程序都在向前推进，仿佛每个程序都拥有自己的处理器，即所谓的虚处理器。

☆ 操作系统引入进程

       程序是静态实体，在多道程序系统中，它是不能独立运行的，更不能和其他程序并发执行。在操作系统中引入进程的目的，就是为了使多个程序能并发执行。

为使多个程序能并发执行，系统必须分别为每个程序建立进程(Process)。简单说来，进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。一个进程在运行时需要一定的资源，如CPU、存储空间及I/O 设备等。

☆ 操作系统引入线程

      通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源。在引入线程的OS中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位（注意是作为资源分配的基本单位了，并不再作为独立运行的基本单位了），而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位。由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效地提高系统内多个程序间并发执行的程度。因而近年来推出的通用操作系统都引入了线程，以便进一步提高系统的并发性。

 

（2）共享

       在操作系统环境下，所谓共享(Sharing)，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用，相应地，把这种资源共同使用称为资源共享，或称为资源复用。由于各种资源的属性不同，进程对资源复用的方式也不同，目前主要实现资源共享的方式有如下两种：

☆    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(线程)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(线程)访问该资源。为此，系统中应建立一种机制，以保证对这类资源的互斥访问。当一个进程A要访问某资源时，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请求进程A使用。此后若再有其它进程也要访问该资源时(只要A未用完)，则必须等待。仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一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，它们要求被互斥地共享。

☆    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”，在单处理机环境下往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。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。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在的条件。一方面，资源共享是以程序(进程)的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必然影响到程序并发执行的程度，甚至根本无法并发执行。

（3）虚拟

       操作系统中的所谓“虚拟”(Virtual)，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的，而后者是虚的，仅是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。在操作系统中利用了两种方式实现虚拟技术，即时分复用技术和空分复用技术。

☆ 时分复用技术

      时分复用，亦即分时使用方式，在计算机领域中，广泛利用该技术来实现虚拟处理机、虚拟设备等，以提高资源的利用率。

1) 虚拟处理机技术

       在虚拟处理机技术中，利用多道程序设计技术，为每道程序建立一个进程，让多道程序并发地执行，以此来分时使用一台处理机。此时，虽然系统中只有一台处理机，但它却能同时为多个用户服务，使每个终端用户都认为是有一个处理机在专门为他服务。亦即，利用多道程序设计技术，把一台物理上的处理机虚拟为多台逻辑上的处理机，在每台逻辑处理机上运行一道程序。我们把用户所感觉到的处理机称为虚拟处理器。

2) 虚拟设备技术

       我们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，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源)，变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。例如，原来的打印机属于临界资源，而通过虚拟设备技术，可以把它变为多台逻辑上的打印机，供多个用户“同时”打印。

☆ 空分复用技术

      在计算机中使用空分复用技术来提高存储空间的利用率。

1) 虚拟磁盘技术

      通常在一台机器上只配置一台硬盘。我们可以通过虚拟磁盘技术将一台硬盘虚拟为多台虚拟磁盘，这样使用起来既方便又安全。虚拟磁盘技术也是采用了空分复用方式，即它将硬盘划分为若干个卷，例如1、2、3、4四个卷，再通过安装程序将它们分别安装在C、D、E、F四个逻辑驱动器上，这样，机器上便有了四个虚拟磁盘。当用户要访问D 盘中的内容时，系统便会访问卷2 中的内容。

2) 虚拟存储器技术

       在单道程序环境下，处理机会有很多空闲时间，内存也会有很多空闲空间，显然，这会使处理机和内存的效率低下。如果说时分复用技术是利用处理机的空闲时间来运行其它的程序，使处理机的利用率得以提高，那么空分复用则是利用存储器的空闲空间来存放其它的程序，以提高内存的利用率。

      但是，单纯的空分复用存储器只能提高内存的利用率，并不能实现在逻辑上扩大存储器容量的功能，必须引入虚拟存储技术才能达到此目地。而虚拟存储技术在本质上就是使内存分时复用。它可以使一道程序通过时分复用方式，在远小于它的内存空间中运行。 例如，一个100 MB的应用程序可以运行在20MB的内存空间。

       应当着重指出：如果虚拟的实现是通过时分复用的方法来实现的，即对某一物理设备进行分时使用，设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N。类似地，如果是利用空分复用方法来实现虚拟，此时一台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有空间的1/N。

（4）异步性

       进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性(Asynchronism)。尽管如此，但只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，而且是操作系统的一个重要特征。

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