一、操作系统的概念（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。

• 操作系统是系统资源的管理者
• 向上层提供方便易用的服务
• 是最接近硬件的一层软件

windows10的任务管理器，如下图，可以较为直观的展示操作系统对计算机硬件和软件资源的管理。

二、操作系统的功能和目标

（一）、资源的管理者

下面以一个常见的软件使用过程的各个步骤的使用，展示下操作系统的功能：

用QQ和朋友视频聊天的过程：

1. Step 1：在各个文件夹中找到 QQ 安装的位置（如 D:/Tencent/QQ/Bin）

此步骤需要逐层打开文件夹，找到 QQ.exe 这个程序（可执行文件）的存放位置，涉及文件管理。

1. Step 2：双击打开 QQ.exe

此步骤需要把该程序相关数据放入内存，涉及存储器管理。

补充知识：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

1. Step 3：QQ 程序正常运行

此步骤需要为对应的进程分配处理机（CPU），这个涉及处理机管理。

1. Step 4：开始和朋友视频聊天

此步骤需要将摄像头设备分配给进程，这涉及到操作系统的设备管理。

（二）、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。

在硬件之上安装了操作系统，操作系统对外暴露了“美丽”、友好的交互接口。下面介绍几种常见的接口。

GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）

用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

联机命令接口实例（Windows系统） 联机命令接口 = 交互式命令接口

脱机命令接口实例（Windows系统） 脱机命令接口 = 批处理命令接口

使用windows系统的搜索功能，搜索C盘中的 *.bat文件，用记事本任意打开一个

特点：用户说一堆，系统跟着做一堆

程序接口（系统调用）

（三）、作为最接近硬件的层次

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。

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

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。

三、操作系统的特征

• 并发
• 共享
• 虚拟
• 异步

并发与共享是操作系统最基本的特征，二者互为存在条件

（一）、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）：

• 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。

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，当运行的程序超过4个程序时，此时一定会有并发运行。

（二）、共享

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。

两种资源共享方式：

互斥共享方式
同时共享方式

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：

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。
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。

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。

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QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

（三）、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。

虚拟技术中的“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。

如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

（四）、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。

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。

四、操作系统的分类

批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术，并由监督程序负责控制作业的输入、输出

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。

批处理阶段——多道批处理系统

多道批处理系统体现了操作系统最基本的特征——并发与共享，意味着操作系统的正式诞生，其用于支持多道程序并发运行。

主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资
源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待
计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

分时操作系统

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，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

网络操作系统

网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

分布式操作系统

分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

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