【操作系统】第一章：操作系统概述

本篇笔记课程来源：王道计算机考研 操作系统

一、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 硬件和软件 资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件更加方便的接口和环境 ；它是计算机系统中最基本的系统软件 。
• 概念中所提到的分别是：
  1. 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
  2. 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
  3. 是一种系统软件

二、操作系统的功能和目标

功能简记：处（处理机管理）存（存储器管理）备（设备管理）文（文件管理）用（用户接口）

1. 作为系统资源的管理者

• 需要提供的功能有：
  1. 处理机（CPU）管理：例如程序运行的进程
  2. 存储器（存储）管理：例如程序运行时的数据
  3. 文件管理：例如文件存放
  4. 设备管理：例如键盘鼠标摄像头

2. 向上层提供服务

• 可以理解为：操作系统把一些难以理解的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。
• 提供的功能：
  • 图形化界面（GUI）：用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不需要记忆复杂的命令、参数。
  • 用户接口：命令接口、程序接口

接口类型		特点
命令接口	联机命令接口 / 交互式命令接口	说一句做一句，类似于终端命令行
	脱机命令接口 / 批处理命令接口	说一堆做一堆，类似于 .bat 批处理文件
程序接口		可以在程序中进行系统调用来使用程序的接口，类似于函数调用

• 在提供的功能中，GUI 和 命令接口用户可以直接使用；程序接口只能通过程序间接使用。

3. 对硬件的拓展

• 操作系统需要实现对硬件机器的拓展。
• 没有任何软件支持的计算机称为裸机。
• 经过操作系统的包装，裸机便以虚拟机的形式呈现给用户。与裸机相比，虚拟机更易于理解和使用。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，也称之为虚拟机。

三、操作系统的四个特征

• 四个特征分别是：并发性、共享性、虚拟性、异步性。其中：
  • 并发性和共享性是 最基本的特征，且 互为存在条件
  • 没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步

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。
• 另一个概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

---

• 所以操作系统的并发性，是指计算机系统中 “同时” 运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。
• 操作系统就是伴随着 “多道程序技术” 而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

---

• 需要注意⚠️⚠️⚠️重要

  • 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
  • 多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

• 如果一个四核CPU需要 “同时” 运行四个以上的程序（核处理不过来），那么并发性依然是必不可少的，因此并发性是操作系统一个最基本的特性。

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：
  • 互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
  • 同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程 “同时” 访问该资源。
• 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地对该资源进行访问（即分时共享）

---

• 并发和共享的关系‼️：互为存在条件。
  • 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。
  • 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义；
  • 如果失去共享性，则多个进程不能同时访问硬盘资源，就无法实现并发。

3. 虚拟性

• 虚拟是指把一个物理上的实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。
• 比如日常使用计算机，一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行
  • 虚拟存储器技术——空分复用技术：实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB
  • 虚拟处理器技术——时分复用技术：实际只有一个单核CPU，在用户看来似乎有多个CPU在同时运行。
  • 上面的有个印象即可，后面会说。
• 如果失去并发性，则一个时间段内系统只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

4. 异步性

• 异步是指，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（进程会争取使用系统资源），进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停。
• 以不可预知的速度向前推进，就是进程的异步性。
• 如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。因此，只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

四、操作系统的发展与分类

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