【原】操作系統(tǒng)概念、特征與基本功能

菜籽愛編程 2022-04-27

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操作系統(tǒng)的概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自下而上可大致分為四部分：硬件、 操作系統(tǒng) 、 應(yīng)用程序 和用戶 (這里的劃分與計(jì)算機(jī)組成原理中的分層不同)。操作系統(tǒng)管理各種計(jì)算機(jī)硬件，為應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)，并充當(dāng)計(jì)算機(jī)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(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件資源，合理地組織、調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作與資源的分配，進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件。

1. 用戶觀點(diǎn)

操作系統(tǒng)的用戶觀點(diǎn)即根據(jù)用戶所使用計(jì)算機(jī)的不同而設(shè)計(jì)不同類型的操作系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)觀點(diǎn)(資源管理的觀點(diǎn))

從資源管理的角度來看，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源管理程序。在計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(dòng)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(gè)操作系統(tǒng)的規(guī)模、類型、功能和實(shí)現(xiàn)。與上述四類資源相對應(yīng)，操作系統(tǒng)可被劃分成處理器管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理和信息管理(即文件系統(tǒng))，并分別進(jìn)行分析研究。由此，可以用資源管理的觀點(diǎn)組織操作系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容。

3. 進(jìn)程觀點(diǎn)

這種觀點(diǎn)把操作系統(tǒng)看作由若干個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的程序和一個(gè)對這些程序進(jìn)行協(xié)調(diào)的核心所組成的。這些運(yùn)行的程序稱為進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程都完成某一項(xiàng)特定任務(wù)(如控制用戶作業(yè)的運(yùn)行，處理某個(gè)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(jìn)程的運(yùn)行，解決進(jìn)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(diǎn)，考慮管理任務(wù)的分割和相互之間的關(guān)系，通過進(jìn)程之間的通信來解決共享資源時(shí)所帶來的競爭問題。通常， 進(jìn)程 可以分為 用戶進(jìn)程 和 系統(tǒng)進(jìn)程 兩大類，由這兩類進(jìn)程在核心控制下的協(xié)調(diào)運(yùn)行來完成用戶的要求。

4. 虛擬機(jī)觀點(diǎn)

虛擬機(jī)的觀點(diǎn)也稱為機(jī)器擴(kuò)充的觀點(diǎn)。從這一觀點(diǎn)來看，操作系統(tǒng)為用戶使用計(jì)算機(jī)提供了許多服務(wù)功能和良好的工作環(huán)境。用戶不再直接使用硬件機(jī)器(稱為 裸機(jī) )，而是通過操作系統(tǒng)來控制和使用計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)被擴(kuò)充為功能更強(qiáng)大、使用更加方便的虛擬計(jì)算機(jī)。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(gè)層次，每一層次完成特定的功能，從而構(gòu)成一個(gè)虛擬機(jī)，并為上一層提供支持，構(gòu)成它的運(yùn)行環(huán)境。通過逐層的功能擴(kuò)充，最終完成操作系統(tǒng)虛擬機(jī)，從而為用戶提供全套的服務(wù)，滿足用戶的要求。

操作系統(tǒng)的特征

1. 并發(fā)(Concurrence)

并發(fā)是指兩個(gè)或多個(gè)事件在 同一時(shí)間間隔內(nèi) 發(fā)生。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)運(yùn)行的程序，因此它具有處理和調(diào)度多個(gè)程序同時(shí)執(zhí)行的能力。在操作系統(tǒng)中，引入進(jìn)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(shí)間內(nèi)，宏觀上有多道程序在同時(shí)執(zhí)行，而在每個(gè)時(shí)刻，單處理機(jī)環(huán)境下實(shí)際僅能有一道程序執(zhí)行，因此微觀上這些程序仍是分時(shí)交替執(zhí)行的。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是通過分時(shí)得以實(shí)現(xiàn)的。

注意，并行性是指系統(tǒng)具有同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性，在同一時(shí)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(jī)硬件環(huán)境。

并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)邊吃晚飯邊看視頻，那么這兩個(gè)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(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)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(jī)、某些變量、隊(duì)列等一段時(shí)間內(nèi)只能供一個(gè)作業(yè)使用的資源，只有當(dāng)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(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源稱為 臨界資源 或 獨(dú)占資源 。計(jì)算機(jī)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(shí)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(gè)作業(yè)同時(shí)訪問。雖然這種“同時(shí)”是指宏觀上的“同時(shí)”，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(huì)影響訪問的結(jié)果。

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個(gè)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(shí)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(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)槿舾蛇壿嬌系膶?yīng)物。物理實(shí)體(前者)是實(shí)的，即實(shí)際存在的；而后者是虛的，是用戶感覺上的事物。用于實(shí)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(shí)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(jì)技術(shù)，采用讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時(shí)使用個(gè)處理器的。此時(shí)，雖然只有一個(gè)處理器，但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，使每個(gè)終端用戶都感覺有一個(gè)中央處理器(CPU)在專門為它服務(wù)。利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)把一個(gè)物理上的CPU虛擬為多個(gè)邏輯上的CPU，稱為虛擬處理器。

類似地，可以采用虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)將一臺(tái)機(jī)器的物理存儲(chǔ)器變?yōu)樘摂M存儲(chǔ)器，以便從邏輯上擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。當(dāng)然，這時(shí)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(shí)際不存在)的存儲(chǔ)器稱為虛擬存儲(chǔ)器。

還可采用虛擬設(shè)備技術(shù)將一臺(tái)物理IO設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的IO設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的IO設(shè)備，使原來僅允許在一段時(shí)間內(nèi)由一個(gè)用戶訪問的設(shè)備(即臨界資源)變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)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(shí)分復(fù)用技術(shù) ，如處理器的分時(shí)共享； 空分復(fù)用技術(shù) ，如虛擬存儲(chǔ)器。

在操作系統(tǒng)中，虛擬是指把一個(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物，前者是實(shí)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(jì)技術(shù)后，雖然只有一個(gè)CPU，每次只能執(zhí)行一道程序，但通過分時(shí)使用，在一段時(shí)間間隔內(nèi)宏觀上這臺(tái)處理器能同時(shí)運(yùn)行多道程序。它給用戶的感覺是每道程序都有一個(gè)CPU為其服務(wù)。也就是說，多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可以把一臺(tái)物理上的CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU。此外還有虛擬存儲(chǔ)器(從邏輯上擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量)、虛擬設(shè)備(獨(dú)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(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源等因素的限制，進(jìn)程的執(zhí)行并不是一貫到底的，而是“走走停?！钡模圆豢深A(yù)知的速度向前推進(jìn)，這就是進(jìn)程的異步性。

異步性使得操作系統(tǒng)運(yùn)行在一種隨機(jī)的環(huán)境下，可能導(dǎo)致進(jìn)程產(chǎn)生與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤(就像對全局變量的訪問順序不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)一樣)。然而，只要運(yùn)行環(huán)境相同，操作系統(tǒng)就須保證多次運(yùn)行進(jìn)程后都能獲得相同的結(jié)果。

操作系統(tǒng)的基本功能

1. 處理器管理

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

進(jìn)程管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)下述主要功能：進(jìn)程控制：負(fù)責(zé)進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。進(jìn)程同步：對并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)。進(jìn)程通信：負(fù)責(zé)完成進(jìn)程間的信息交換。進(jìn)程調(diào)度：按一定算法進(jìn)行處理器分配。

2. 存儲(chǔ)器管理

存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)是對內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充。

存儲(chǔ)器管理應(yīng)實(shí)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(hù)：保證各程序在自己的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)運(yùn)行而不相互干擾。內(nèi)存擴(kuò)充：為允許大型作業(yè)或多作業(yè)的運(yùn)行，必須借助虛擬存儲(chǔ)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(wù)是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備實(shí)施有效管理。

設(shè)備管理應(yīng)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(jìn)行分配。為了使設(shè)備與主機(jī)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(shí)現(xiàn)物理的輸入/輸出操作，即啟動(dòng)設(shè)備、中斷處理、結(jié)東處理等。設(shè)備獨(dú)立性：即用戶程序中的設(shè)備與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)。

4. 文件管理

操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)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(wù)就是有效地支持文件的存儲(chǔ)、檢索和修改等操作，解決文件的共享、保密和保護(hù)問題。

文件管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)下述功能：文件存儲(chǔ)空間的管理：負(fù)責(zé)對文件存儲(chǔ)空間進(jìn)行管理，包括存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)文件的操作，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的讀寫。文件保護(hù)：提供文件保護(hù)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(jī)命令接口又稱交互式命令接口，適用于分時(shí)或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，它由一組鍵盤操作命令組成，用戶通過控制臺(tái)或終端輸入操作命令，向系統(tǒng)提出各種服務(wù)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(tái)或終端，此時(shí)用戶又可以輸入下一條命令。
脫機(jī)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(jī)用戶不能直接干預(yù)作業(yè)的運(yùn)行，應(yīng)事先用相應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)調(diào)度到該作業(yè)時(shí)，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(yùn)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(wù)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(jī)命令接口的圖形化。