操作系统的基本概念

批处理与多道程序设计

多道程序设计：允许多个程序（作业）同时进入一个计算机系统的内存并启动进行交替计算的方法，也就是，计算机中可以同时存放多道程序，他们都处于开始和结束之间。从宏观上来看它们是并行的，多道程序都同时处于运行过程中，但都未运行结束，但是微观上是串行的，轮流占用CPU交替执行，引入多道程序设计技术的根本目的是提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性，现代操作系统都采用了多道程序设计技术。

操作系统发展历程

手工操作阶段：用户在计算机上的所有操作都要人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。
- 缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率低。
批处理阶段：为了缓解人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，产生了批处理系统。引入了脱机输入/输出技术，并由监督程序负责控制作业的输入、输出。同时针对批处理紫铜又可分为单道批处理系统和躲到批处理系统。
- 单道批处理系统：系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业。
- 特点：
  - 自动性：磁带上的一批作业能自动逐个运行，无需人工干预。
  - 顺序性：作业完成的顺序与进入内存的顺序完成相同，即先调入先执行。
  - 单道性：每一时刻内存中仅有一道程序运行。
- 优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾。
- 缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束才能调入下一道程序，CPU有大量时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依旧不高。
- 多道批处理阶段：允许多道程序同时进入内存并允许他们交替地运行。（标志操作系统的正式诞生。）
- 特点：多道（内存中同时存在多道相互独立的程序）、宏观上并行、微观上串行。
- 优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提高。
- 缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能。
分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务。各用户可通过终端与计算机进行交互。
优点：用户请求可被立即响应，解决了人机交互问题。允许多个用户使用同一台计算机，并且用户对计算机相互独立，感受不到别人的存在。
缺点：不能优先处理一些紧急任务。(不具备优先级功能)，OS对各个用户/作业完全公平。
特点：同时性(多个用户可以同时或基本同时使用计算机)、交互性、独立性(系统中多个用户可以独立的进行操作，互不干扰)、及时性(用户的请求能在很短的时间内被响应)。
实时操作系统：计算机系统收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。
优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急情况不需要时间片排队。
分类：
- 硬实时操作系统：必须在严格规定的时间内完成处理。如：导弹控制系统、自动驾驶系统。
- 软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定。如：火车订票系统。
网络操作系统：最主要的特点是网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。
分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中各台计算机底为相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由他们并行、协同完成。
个人操作系统：windows、Linux、MacOS等。

操作系统的特征

并发：指两个或多个时间在同一时间间隔内发生（宏观上同时发生，微观上交替发生）。OS的并发性之计算机系统中同时存在多个运行的程序，具有调度和处理多个程序运行的能力。并发性通过分时得以实现。
注意：要正确区分并发和并行的区别。并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生；并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。
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。
- 分类：
  - 互斥贡享：系统中的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：系统中的资源，允许在一个时间段内由多个进程“同时”对他们进行访问。

注意：并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者互为存在条件：①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；②若系统不能对资源实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

虚拟：指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。
操作的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，如虚拟存储器。
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。
异步性使得操作系统允许在一种随机的环境下，可能导致与事件有关的错误(就像对全局变量访问顺序不当产生的错误)。
同时需要注意一点虚拟性和异步性也是在拥有了并发性后才产生的。

并发与并行概念辨析

并发是指两个或多个程序在同一时刻发生，并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发性是指在一段时间间隔内，宏观上由多个程序同时运行，但在单处理器系统中每个时刻只能有一道程序执行，因此在微观上这些程序只能分时地交替执行。若在计算机系统中有多个处理器，则这些可以并发执行的程序便可分配到多个处理器上，实现并行执行，即利用多个处理器来处理一个可并发执行的程序。

操作系统的层次结构和功能模块

层次结构：是一种操作系统的组织结构，其提供了一种隔离操作系统各层功能的模型。

目的：力求使模块间调用的无序性变为有序性，减少模块调用的无归性。
分层结构的限制过于严格，几乎没有一种操作系统是用这种方式构造的，但其分层的思想值得借鉴和参考。

操作系统的功能：

系统资源的管理者
- 处理机管理
- 存储器管理
- 文件管理
- 设备管理
向上层提供服务
- 给普通用户提供的服务：
  - GUI用户图形界面
  - 命令接口：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条；脱机命令接口用户说一堆系统做一堆)。
- 给软件/程序员用的->程序接口即系统调用。
对硬件机器的扩展。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造为功能更强、使用更方便的机器。

程序的并发执行与顺序执行

程序的顺序执行：在早期无操作系统及单道批处理系统时，程序都是按照顺序进行执行的。先进入内存的先执行，在执行的过程中不能执行其他的程序。程序中的指令也是按照顺序执行，一条指令正在执行时不能开始执行另一条指令。所以程序顺序执行有以下几个特点：

顺序性：处理机的操作，严格按照顺序执行，前一操作还没执行完毕，后继操作则不能继续执行。
封闭性：程序是在封闭的环境下运行的。即程序在运行时独占全机资源，各资源的状态只有本程序才能改变。程序一旦开始运行，其结果不受外界的影响。
可再现性：只要程序的环境和初始条件相同，无论程序执行多少次，执行结果相同。例如一个加法运算，无论执行多少次，相加的结果都不会发生改变。

程序的并发执行：程序的并发执行是指在同一时间间隔内运行多个程序。也就是在一个程序运行结束之前，可以运行其它的程序。对于用户来说，有多个程序在同时向前推进，但是从微观上来看，任意时刻CPU上都只有一个程序在执行。在多道程序系统和分时系统都允许程序并发执行，程序的并发执行有以下几个特点：

间断性：程序在并发执行时，因为要共享资源，但是资源往往都少于正在执行的程序数，所以会存在资源抢占的问题。因而，每个程序在CPU上运行，都是时断时续的。当一个资源被占用时，其他需要该资源的程序不得不暂停，待资源被释放时方可执行。
失去封闭性：程序正在并发执行时，由于它们共享资源或者合作完成同一项任务，系统的状态不再受其中一个程序的控制和改变，所以就失去了封闭性。
不可再现性：因为程序在并发执行时失去了封闭性，所以任何一个程序都有可能对系统的状态进行改变，这也意味着程序执行的结果可能会不相同。例如两个程序同时往一个文件追加内容，在执行数次之后，每个文件所展现出的内容可能各不相同。