操作系统的基本概念

一、操作系统的概念

1.什么是操作系统？

操作系统（Operation System），简称OS，是管理计算机 【硬件】 与 【软件】 资源的计 算机程序。

2 计算机系统的构成

• 用户
• 应用程序
• 操作系统（OS）
• 硬件（裸机）

操作系统向上管理软件，向下管理硬件，并向用户提供访问访问方式（接口），操作系统向应用程序也提供了接口，在计算机系统中起到了承上启下的作用

3 系统软件的概念

OS是一种【系统软件】

• 与硬件交互
• 对资源共享进行调度
• 解决并发操作处理中存在协调问题
• 数据结构复杂，外部接口多样化，便于用户反复使用

4 操作系统的主要作用

作为【系统软件】，OS做了哪些事

• 管理与配置内存
• 决定系统资源供需的优先次序
• 控制输入设备与输出设备
• 操作网络与管理文件系统等基本事务
• 提供一个让用户与系统交互的操作界面

二、操作系统目标和功能

1. 目标

1.1 有效性

管理系统资源

• 提高系统资源利用率
• 提高系统的吞吐量

1.2 方便性

方便用户使用

1.3 可扩充性

作为扩充机器
兼容硬件升级与扩充

1.4 开放性

支持软件获取和调用系统资源
兼容不同的软件硬件标准

2. 功能

2.1 作为系统资源的管理者

1) 处理机(处理器)管理

• 进程控制
• 进程同步
• 进程通信
• 调度

2) 存储器管理

• 内存分配
• 内存保护
• 地址映射
• 内存扩充

3) I/O设备管理

• 缓冲管理
• 设备分配
• 设备处理

4) 文件管理

• 文件存储空间的管理
• 目录管理
• 文件读/写管理和保护

2.2 作为用户与计算机[硬件系统]之间的接口

• 程序接口（应用程序访问操作系统的接口，操作系统再去访问硬件）
• 命令接口（用户可以直接使用命令操作操作系统）
• GUI（Graphical User Interface），图形用户接口

2.3 实现了最计算机资源的抽象

• 将具体的计算机硬件资源抽象成软件资源，方便用户使用
• 开放了简单的访问方式，隐藏了实现细节
  • 举例：使用浏览器进行搜索
    
  • 操作系统同时也对软件提供了简单的访问接口

三、操作系统的特征

操作系统四大基本特征

• 并发
• 共享
• 虚拟
• 异步

其中的关系图如下

1. OS的并发性（Concurrence）

• 同一时间内执行和调度多个程序的能力
  • 宏观上，处理机同时执行多道程序
  • 微观上，处理机在多道程序之间高速切换（分时交替执行）
  • 关注单个处理机同一时间段内处理任务数量的能力

相似概念：并行

• 并发： 同一时间间隔内（时间段）发生的事件数量
  • 例如：午餐时段，学校餐厅用餐总人数为12人
• 并行：同一时刻（时间点）发生的事件数量
  • 例如：同一时间点，学校餐厅最多并行3人打餐

并发和并行都可以提高系统的吞吐量，但是并发还可以提高系统资源利用率，通过后期优化调度算法可以提高系统的并发能力，进而使系统资源利用率进一步提高，可以在不加大硬件投入的情况下提高系统性能，所以大部分场景下并发能力更加重要，而对于计算密集型任务来说，每个任务都会长时间占用单个处理机，并且也没有什么算法优化的余地，这种情况下想要提高系统总体的性能，就需要去添加物理机硬件

2. OS的共享性（Sharing）

即资源共享，系统中的资源供多个【并发执行】的应用程序共同使用

• 同时访问方式：同一时段允许多个程序同时访问共享资源
• 互斥共享方式：也叫独占式，允许多个程序在同一个共享资源上独立工作而互不干扰的方式

共享设备：共享打印机、音频设备、视频设备

并发和共享互为存在条件

• 共享性要求OS中同时运行着多道程序

  • 若只有单道程序正在运行，则不存在共享的可能

• 并发性难以避免的导致多道程序同时访问同一个资源

  • 若多道程序无法共享部分资源（比如磁盘），则无法并发

  

3. OS的虚拟技术（Virtual）

使用某种技术把一个物理实体变成多个逻辑上的对应物

• 时分复用技术（TDM，Time Division Multiplexing）
  • 虚拟处理机技术：“四核八线程”
  • 虚拟设备技术：虚拟打印机
• 空分复用技术（SDM：Space Division Multiplexing）
  • 虚拟磁盘技术：将一个硬盘虚拟出若干个卷
  • 虚拟存储器技术

4. OS的异步性（Asynchronism）

多道程序环境下，允许多个程序并发执行
单处理机环境下，多个程序分时交替执行

• 程序执行的不可预知性
  • 获得运行的时机
  • 因何暂停
  • 每道程序需要多少时间
  • 不同程序的性能，比如计算多少，I/O多少
• 宏观上“一气呵成”，微观上“走走停停”