操作系统的概述功能目标及其四个特征

Posted 2021-09-06 bfhonor

一、计算机系统概述

（一）操作系统的定义

• 操作系统（Operating System， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，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方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。
  
  

（二）操作系统的功能和目标

1. 作为系统资源的管理者

• 执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。
  

2. 向上层提供方便易用的服务

• 封装思想：操作系统把一些丑陋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
  
• 联机命令接口实例（Windows系统）
  ①、联机命令接口=交互式命令接口。
  ②、特点：用户说一句，系统跟着做一句
• 脱机命令接口实例（Windows系统）
  ①、脱机命令接口=批处理命令接口
  ②、特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
• 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。
  

3. 作为最接近硬件的层次

• 需要实现对硬件机器的拓展
• 没有任何软件支持的计算机成为裸机。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，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。
• 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机
• 类比汽车：
  发动机——只会转；轮胎——只会滚；
  在原始的硬件机器上覆盖一层传动系统——让发动机带着轮子转——使原始的硬件机器得到拓展
• 操作系统对硬件机器的拓展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。
• 普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的，只需直接使用操作系统提供的接口即可。

二、 操作系统的四个特征

（一）操作系统的特征——并发

• 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。
• 常考易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
  
• 操作系统的并发性指计算机系统中“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。
• 注意（重要考点）：
  ①、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
  ②、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
• 比如Intel 的第八代 i3 处理器就是4 核CPU，意味着可以并行地执行4个程序
• 即使是对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要“同时”运行，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

（二）操作系统的特征——共享

• 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。
  
• 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的（即分时共享）
• 生活实例：
  ①、互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
  ②、同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

（三）并发和共享的关系

• 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。
  

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❗❗❗❗❗两者互为存在的条件❗❗❗❗❗

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（四）操作系统的特征——虚拟

• 虚拟是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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
• 一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行
• GTA5需要4GB的运行内存，QQ 需要256MB的内存，迅雷需要256MB的内存，网易云音乐需要256MB的内存……
  我的电脑：4GB内存
  问题：这些程序同时运行需要的内存远大于4GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？
  答：这是虚拟存储器技术中的“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。
• 问题：既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行，那么为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢？
  答：这是虚拟处理器技术中的“时分复用技术”。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有6个CPU在同时为自己服务。
  

（五）操作系统的特征——异步

• 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，这就是进程的异步性。
• 由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。
• 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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

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❗❗❗❗❗没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征❗❗❗❗❗

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