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計算機系統(tǒng)自下而上可大致分為四部分： 硬件 、 操作系統(tǒng) 、 應用程序 和 用戶 (這里的劃分與計算機組成原理中的分層不同)。操作系統(tǒng)管理各種計算機硬件，為應用程序提供基礎(chǔ)，并充當計算機硬件與用戶之間的中介。

操作系統(tǒng)(Operating System,OS) 是指控制和管理整個計算機系統(tǒng)的硬件與軟件資源，合理地組織、調(diào)度計算機的工作與資源的分配，進而為用戶和其他軟件提供方便接口與環(huán)境的程序集合。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件。

1. 用戶觀點

操作系統(tǒng)的用戶觀點即根據(jù)用戶所使用計算機的不同而設(shè)計不同類型的操作系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)觀點(資源管理的觀點)

從資源管理的角度來看，操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的資源管理程序。在計算機系統(tǒng)中有兩類資源： 硬件資源 和 軟件資源 。按其作用又可以將它們分為四大類資源： 處理器 、 存儲器 、 外設(shè) 和 信息(程序和數(shù)據(jù)) 。這四類資源構(gòu)成了操作系統(tǒng)本身和用戶作業(yè)賴以活動的物質(zhì)基礎(chǔ)和工作環(huán)境。它們的使用方法和管理策略決定了整個操作系統(tǒng)的規(guī)模、類型、功能和實現(xiàn)。與上述四類資源相對應，操作系統(tǒng)可被劃分成處理器管理、存儲器管理、設(shè)備管理和信息管理(即文件系統(tǒng))，并分別進行分析研究。由此，可以用資源管理的觀點組織操作系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容。

3. 進程觀點

這種觀點把操作系統(tǒng)看作由若干個可以獨立運行的程序和一個對這些程序進行協(xié)調(diào)的核心所組成的。這些運行的程序稱為進程，每個進程都完成某一項特定任務(如控制用戶作業(yè)的運行，處理某個設(shè)備的輸入/輸出...)。而操作系統(tǒng)的核心則是控制和協(xié)調(diào)這些進程的運行，解決進程之間的通信；它從系統(tǒng)各部分以并發(fā)工作為出發(fā)點，考慮管理任務的分割和相互之間的關(guān)系，通過進程之間的通信來解決共享資源時所帶來的競爭問題。通常， 進程 可以分為 用戶進程 和 系統(tǒng)進程 兩大類，由這兩類進程在核心控制下的協(xié)調(diào)運行來完成用戶的要求。

4. 虛擬機觀點

虛擬機的觀點也稱為機器擴充的觀點。從這一觀點來看，操作系統(tǒng)為用戶使用計算機提供了許多服務功能和良好的工作環(huán)境。用戶不再直接使用硬件機器(稱為 裸機 )，而是通過操作系統(tǒng)來控制和使用計算機。計算機被擴充為功能更強大、使用更加方便的虛擬計算機。從功能分解的角度出發(fā)，考慮操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將操作系統(tǒng)分為若干個層次，每一層次完成特定的功能，從而構(gòu)成一個虛擬機，并為上一層提供支持，構(gòu)成它的運行環(huán)境。通過逐層的功能擴充，最終完成操作系統(tǒng)虛擬機，從而為用戶提供全套的服務，滿足用戶的要求。

1. 并發(fā)(Concurrence)

并發(fā)是指兩個或多個事件在 同一時間間隔內(nèi) 發(fā)生。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計算機系統(tǒng)中同時存在多個運行的程序，因此它具有處理和調(diào)度多個程序同時執(zhí)行的能力。在操作系統(tǒng)中，引入進程的目的是使程序能并發(fā)執(zhí)行。

在多道程序環(huán)境下，一段時間內(nèi)，宏觀上有多道程序在同時執(zhí)行，而在每個時刻，單處理機環(huán)境下實際僅能有一道程序執(zhí)行，因此微觀上這些程序仍是分時交替執(zhí)行的。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是通過分時得以實現(xiàn)的。

注意，并行性是指系統(tǒng)具有同時進行運算或操作的特性，在同一時刻能完成兩種或兩種以上的工作。并行性需要有相關(guān)硬件的支持，如多流水線或多處理機硬件環(huán)境。

并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。

并發(fā)和并行的例子：如果你在18:00-18:10看視頻，在18:11-18:20吃晚飯，在18:21-18:30看視頻，在18:00-18:30這段時間內(nèi)吃晚飯和看視頻兩種行為就是并發(fā)執(zhí)行的；但如果你在18:00-18:30這段時間內(nèi)邊吃晚飯邊看視頻，那么這兩個行為就是并行執(zhí)行的。

2. 共享(Sharing)

資源共享即共享，是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。根據(jù)資源性質(zhì)的不同，可將資源共享方式分為兩種：

(1)互斥共享方式

系統(tǒng)中可供共享的某些資源，如打印機、某些變量、隊列等一段時間內(nèi)只能供一個作業(yè)使用的資源，只有當前作業(yè)使用完畢并釋放后，才能被其他作業(yè)使用。而把在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問的資源稱為 臨界資源 或 獨占資源 。計算機系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)備及某些軟件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，它們都要求被互斥地共享。

(2)同時訪問方式

系統(tǒng)中的另一類資源，如磁盤、可重入代碼等，可以供多個作業(yè)同時訪問。雖然這種“同時”是指宏觀上的“同時”，微觀上可能是作業(yè)交替訪問該資源，但作業(yè)訪問資源的順序不會影響訪問的結(jié)果。

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個最基本的特征，兩者之間互為存在的條件：

• 資源共享是以程序的并發(fā)為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，則自然不存在資源共享問題；
• 若系統(tǒng)不能對資源共享實施有效的管理，則必將影響到程序的并發(fā)執(zhí)行，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。

3. 虛擬(Virtual)

虛擬是指把一個物理上的實體變?yōu)槿舾蛇壿嬌系膶?。物理實體(前者)是實的，即實際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的事物。用于實現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。操作系統(tǒng)中利用了多種虛擬技術(shù)來實現(xiàn)虛擬處理器、虛擬內(nèi)存和虛擬外部設(shè)備等。虛擬處理器技術(shù)是通過多道程序設(shè)計技術(shù)，采用讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時使用個處理器的。此時，雖然只有一個處理器，但它能同時為多個用戶服務，使每個終端用戶都感覺有一個中央處理器(CPU)在專門為它服務。利用多道程序設(shè)計技術(shù)把一個物理上的CPU虛擬為多個邏輯上的CPU，稱為虛擬處理器。

類似地，可以采用虛擬存儲器技術(shù)將一臺機器的物理存儲器變?yōu)樘摂M存儲器，以便從邏輯上擴充存儲器的容量。當然，這時用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶感覺到(但實際不存在)的存儲器稱為虛擬存儲器。

還可采用虛擬設(shè)備技術(shù)將一臺物理IO設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的IO設(shè)備，并允許每個用戶占用一臺邏輯上的IO設(shè)備，使原來僅允許在一段時間內(nèi)由一個用戶訪問的設(shè)備(即臨界資源)變?yōu)樵谝欢螘r間內(nèi)允許多個用戶同時訪問的共享設(shè)備。因此，操作系統(tǒng)的虛擬技術(shù)可歸納為： 時分復用技術(shù) ，如處理器的分時共享； 空分復用技術(shù) ，如虛擬存儲器。

在操作系統(tǒng)中，虛擬是指把一個物理上的實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應物，前者是實際存在的，后者是虛擬的，這只是用戶的一種感覺。例如，在操作系統(tǒng)中引入多道程序設(shè)計技術(shù)后，雖然只有一個CPU，每次只能執(zhí)行一道程序，但通過分時使用，在一段時間間隔內(nèi)宏觀上這臺處理器能同時運行多道程序。它給用戶的感覺是每道程序都有一個CPU為其服務。也就是說，多道程序設(shè)計技術(shù)可以把一臺物理上的CPU虛擬為多臺邏輯上的CPU。此外還有虛擬存儲器(從邏輯上擴充存儲器的容量)、虛擬設(shè)備(獨占設(shè)備變?yōu)楣蚕碓O(shè)備)等技術(shù)。

4. 異步(Asynchronism)

多道程序環(huán)境允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源等因素的限制，進程的執(zhí)行并不是一貫到底的，而是“走走停?！钡?，它以不可預知的速度向前推進，這就是進程的異步性。

異步性使得操作系統(tǒng)運行在一種隨機的環(huán)境下，可能導致進程產(chǎn)生與時間有關(guān)的錯誤(就像對全局變量的訪問順序不當會導致程序出錯一樣)。然而，只要運行環(huán)境相同，操作系統(tǒng)就須保證多次運行進程后都能獲得相同的結(jié)果。

1. 處理器管理

處理器管理的主要任務是對處理器的分配和運行實施有效的管理。在多道程序環(huán)境下，處理器的分配和運行是以進程為基本單位的，因此對處理器的管理可歸結(jié)為對進程的管理。

進程管理應實現(xiàn)下述主要功能：進程控制：負責進程的創(chuàng)建、撤銷及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。進程同步：對并發(fā)執(zhí)行的進程進行協(xié)調(diào)。進程通信：負責完成進程間的信息交換。進程調(diào)度：按一定算法進行處理器分配。

2. 存儲器管理

存儲器管理的主要任務是對內(nèi)存進行分配、保護和擴充。

存儲器管理應實現(xiàn)下述主要功能：內(nèi)存分配：按一定的策略為每道程序分配內(nèi)存。內(nèi)存保護：保證各程序在自己的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)運行而不相互干擾。內(nèi)存擴充：為允許大型作業(yè)或多作業(yè)的運行，必須借助虛擬存儲技術(shù)去獲得增加內(nèi)存的效果。

3. 設(shè)備管理

設(shè)備管理的主要任務是對計算機系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備實施有效管理。

設(shè)備管理應具有下述功能:設(shè)備分配：根據(jù)一定的設(shè)備分配原則對設(shè)備進行分配。為了使設(shè)備與主機并行工作，還需采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)。設(shè)備傳輸控制：實現(xiàn)物理的輸入/輸出操作，即啟動設(shè)備、中斷處理、結(jié)東處理等。設(shè)備獨立性：即用戶程序中的設(shè)備與實際使用的物理設(shè)備無關(guān)。

4. 文件管理

操作系統(tǒng)中負責信息管理的部分稱為文件系統(tǒng)，因此稱為文件管理。文件管理的主要任務就是有效地支持文件的存儲、檢索和修改等操作，解決文件的共享、保密和保護問題。

文件管理應實現(xiàn)下述功能：文件存儲空間的管理：負責對文件存儲空間進行管理，包括存儲空間的分配與回收等功能。目錄管理：目錄是為方便文件管理而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能提供按名存取的功能。文件操作管理：實現(xiàn)文件的操作，負責完成數(shù)據(jù)的讀寫。文件保護：提供文件保護功能，防止文件遭到破壞。

5. 用戶接口

通常，操作系統(tǒng)以如下三種接方式提供給用戶使用：

• 命令接口：提供一組命令供用戶直接或間接控制自己的作業(yè)。主要有兩種命令接口控制方式：
• 聯(lián)機命令接口又稱交互式命令接口，適用于分時或?qū)崟r操作系統(tǒng)，它由一組鍵盤操作命令組成，用戶通過控制臺或終端輸入操作命令，向系統(tǒng)提出各種服務要求，用戶每輸入完一條命令，控制權(quán)就轉(zhuǎn)入操作系統(tǒng)的命令解釋程序，然后由命令解釋程序?qū)斎氲拿罱忉尣?zhí)行，完成執(zhí)行的功能。之后控制權(quán)又轉(zhuǎn)回到控制臺或終端，此時用戶又可以輸入下一條命令。
• 脫機命令接口又稱批處理命令接口，即適用于批處理系統(tǒng)，它由一組作業(yè)控制命令(或稱作業(yè)控制語句)組成，脫機用戶不能直接干預作業(yè)的運行，應事先用相應的作業(yè)控制命令寫成一份作業(yè)操作說明書，連同作業(yè)一起提交給系統(tǒng)。當系統(tǒng)調(diào)度到該作業(yè)時，由系統(tǒng)中的命令解釋程序?qū)ψ鳂I(yè)說明書上的命令或控制語句逐條解釋執(zhí)行從而間接地控制作業(yè)的運行。
• 程序接口：也稱為系統(tǒng)調(diào)用，是程序級的接口，由系統(tǒng)提供一組系統(tǒng)調(diào)用命令供用戶程序和其他系統(tǒng)程序調(diào)用。用戶在程序中可以直接使用這組系統(tǒng)調(diào)用命令向操作系統(tǒng)提出各種服務要求，如使用外設(shè)、申請分配內(nèi)存、磁盤文件的操作等。
• 圖形接口：近年來出現(xiàn)的圖形接口(也稱圖形界面)是聯(lián)機命令接口的圖形化。

• 操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件
• 操作系統(tǒng)的特征：并發(fā)(Concurrence)、共享(Sharing)、虛擬(Virtual)、異步(Asynchronism)
• 并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生
• 并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生
• 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個最基本的特征
• 資源共享方式分為兩種：互斥共享方式、同時訪問方式
• 在一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問的資源稱為臨界資源或獨占資源
• 操作系統(tǒng)的虛擬技術(shù)可歸納為：時分復用技術(shù)、空分復用技術(shù)
• 操作系統(tǒng)的基本功能：處理器管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理、用戶接口

參考文獻：

[1] 王道論壇組, 2021年操作系統(tǒng)考研復習指導, 北京:電子工業(yè)出版社, 2020.

[2] 劉泱 等, 操作系統(tǒng)高分筆記：2022版：天勤第10版, 北京:機械工業(yè)出版社, 2020.