【OS】操作系统的特征与功能

文章目录

操作系统——特征
操作系统——功能
操作系统——阶段与分类
分时操作系统特征

操作系统是计算机系统中 最基本的 系统软件

操作系统——特征

并发性
在多道程序环境下，并发性是在同一时间间隔内，系统中同时存在多个运行中的程序。
任务管理器中，在进程一栏中，我们可以看见多个不同类型的程序同时处于运行的状态。

这里需要注意的是 同一时间间隔发生多个事件（并发性） 与 同一时刻发生多个事件（并行性） 之间的区别：

正所谓外行看热闹，内行看门道。
上面所说的多个不同类型的程序同时处于运行的状态，正是我们在任务管理器里宏观看到的；但是实际上在单处理机环境下，每个时刻都只能有一道程序进行，所以操作系统的并发性是通过分时实现的，并不是我们看到的同时刻运行。

共享性
资源共享，系统中的资源不是只供单个进程应用的，而是供多个并发进程共同使用，共享方式主要分为两类：
①互斥共享方式
某些特定的资源，如果同时使用会造成输出混乱，因此在一时间段内只允许由一个进程访问资源，这个进程释放后才能调用下一个进程。eg：打印机……
②同时访问方式
有一类资源在一段时间内可被多个进程"同时"访问，这里说的同时还是上面说的分时的意思，进程交替地对资源进行访问，即分时共享。eg：磁盘设备

并发 与 共享是操作系统最基本的特征，互为存在的条件：
1）资源共享以程序并发执行为条件，只有程序并发，才存在共享的问题；
2）如果不能合理地进行资源共享，也会影响并发的进行，甚至不能并发执行。

虚拟性
顾名思义，将一个实体转换成逻辑上的对应物，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术，操作系统中使用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外设等。
虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用多道程序并发执行方法来分时使用一个处理器的，所以一个处理器可以供多个用户（终端）使用。
综上所述：操作系统的虚拟技术可以分为 时分复用技术（eg：分时共享）， 空分复用技术（eg：虚拟存储器）

一台电脑中只有一个CPU，每次只能执行一道程序，但是通过分时使用，在一段时间间隔内宏观上来看这台处理机能同时运行多道程序；但是通过分时使用，会给用户每道程序都有一个CPU为其服务的感觉，也就是说多道程序设计技术会把一台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU

异步性
多道程序设计环境可以允许多个程序并发执行，但因为资源有限，进程的执行并不连贯（eg：就像我们所说的运行内存超出这个上限，打开的进程会以出队列顺序被强行终止），以不可预知的速度向前推进。也就是说多道程序执行的时间和顺序都是随机的

异步会导致操作系统运行在一个随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误，但只要环境相同就不会产生该种错误。

操作系统——功能

举例：用户就像雇主（给工人下命令），操作系统就像工人（接收命令，操纵机器），计算机就像机器（由处理机、存储器、设备和文件几个设备组成），工人（扩充机器）接收命令（接口），机器开始运转功效。

操作系统五大基本功能
①处理机管理
处理机管理主要功能是对处理机的分配和运行实施有效的管理。多种环境下，处理机的分配和运行都以进程(或线程)为单位，所以处理机管理也可以说成进程管理

进程管理功能划分：
1）进程控制
-----------负责进程的创建、撤销和状态转换
2）进程同步
-----------对并发执行的程序进行协调
3）进程通信
-----------负责进程之间的信息交换
4）进程调度
-----------依据算法对处理机进行分配

②存储器管理
为多道进程的运行提供良好环境，对内存进行分配、保护和扩充等操作，方便客户使用，提高内存利用率
主要实现以下功能：

存储器管理功能划分：
1）内存分配
-----------按一定策略为每道程序分配内存
2）内存保护
-----------保证各个程序在自己的内存区域内运行，互不干扰
3）内存扩充
-----------为了允许大型作业的运行，需要借助虚拟技术来达到增加内存的效果dayingsai

③设备管理
外设的管理是操作系统中最琐碎的部分，主要完成用户的I/O请求，对计算机内的所有设备实施有效管理

设备管理功能划分：
1）设备分配
-----------根据一定设备分配原则对设备进行分配
2）设备传输控制
-----------实现物理I/O操作。譬如说：启动设备、中断处理etc.
3）设备独立性
-----------用户程序的设备与实际使用的物理设备无关

④文件管理
计算机中的信息都是以文件形式存在的，操作系统中文件系统负责文件管理。主要任务就是：有效地支持文件存储、检索和修改，以解决文件共享、保密和保护问题。

设备管理功能划分：
1）文件存储空间管理
2）目录管理
3）文件操作管理
4）文件保护

⑤用户接口
为了方便用户的使用，操作系统还提供了用户接口

用户接口主要分为3类：
1）命令接口 使用命令接口进行作业控制主要有两种方式：
①联机控制方式
②脱机控制方式按照作业控制方式可以将命令接口分为：
①联机命令接口(交互式命令接口)
②脱机命令接口(批处理命令接口)
2）程序接口
由一组系统调用(广义指令)组成，用户通过程序接口请求调用需求的资源。
3）图形接口

扩充机器
没有任何软件支持的计算机叫裸机在计算机最里边，外边是操作系统，操作系统加强并丰富了裸机的功能，通常把覆盖软件的机器称为虚拟机（JVM）

操作系统——阶段与分类

一、手工操作（无操作系统）阶段
二、批处理阶段

单道批处理系统
系统对作业的处理是成批进行的，但在内存中只有一道作业。
单道批处理系统是在解决人机矛盾(速度和资源利用) 以及 CPU和I/O设备速率不匹配的矛盾中形成的，其主要特征有：
①自动性
顺序情况下，磁带上的一批作业能自动的逐个运行，不需要人工干预。
②顺序性
磁带上各道作业顺序进入内存，完成顺序与进入的顺序相同。
③单道性
内存中只有一道程序运行，监督程序每次只从磁带上调入一道程序进入内存中运行，当该程序完成或发生异常时，才换入其后继程序进入内存运行。

缺点：每次主机内存中只能存放一道作业，每当运行时发出I/O请求后，高速CPU就会处于等待低俗的I/O完成状态。

多道批处理系统
鉴于上述单道批处理系统的不足，引入了多道程序设计技术，进一步提高了资源利用率和系统吞吐量。
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许他们在CPU中交替运行，程序之间可以共享系统中的各种软硬件资源，当一道程序停止运行后，CPU会立即去运行另一道程序。不注重个体的完成效率，但是对于庞大的整体极大的节约了时间，提升了整体的效率。但是多道批处理系统要比单道批处理系统复杂得多，要涉及各种资源调度问题

特点：
①多道
内存中同时存放多道相互独立的程序；
②宏观上并行
同时进入系统的多道程序都处于运行状态（先后开始运行，但都未运行完毕）；
③微观上串行
内存中多道程序按顺序轮流占用CPU，交替执行。
多道程序设计技术需要满足以下几个问题：
①如何分配处理器
②多道程序的内存分配问题
③I/O设备如何分配
④如何组织，存放大量数据以便于用户使用并保证安全性和一致性

优点： 资源利用率高，多道程序共享资源，系统的吞吐量大，CPU与其他资源保持忙碌状态。
缺点： 用户响应时间长，不提供人机交互能力，用户不了解自己程序运行的情况，也不能控制计算机。

三、分时操作系统
分时技术就是把处理器的运行时间分成一个个很短的时间片，按时间片轮流把处理器分给各联机作业使用。如果某个作业在分配给它的时间内不能完成，该作业也立即停止，换到下一个作业使用处理器，如此一轮之后再轮到该作业继续之前的运算，是不是很像高速上开错了路口