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計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念與特征
Internet的應(yīng)用范圍由最早的軍事、國(guó)防，擴(kuò)展到美國(guó)國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而迅速覆蓋了全球的各個(gè)領(lǐng)域，運(yùn)營(yíng)性質(zhì)也由科研、教育為主逐漸轉(zhuǎn)向商業(yè)化。以下是小編整理的關(guān)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念與特征，希望大家認(rèn)真閱讀!
一、基本概念
在信息化時(shí)代，軟件被稱為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。而作為軟件核心的操作系統(tǒng)，已經(jīng)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)密不可分、融為一體。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自下而上可粗分為四個(gè)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。硬件，如中央處理器、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備等，提供了基本的計(jì)算資源。應(yīng)用程序，如字處理程序、電子制表軟件、編譯器、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等，規(guī)定了按何種方式使用這些資源來(lái)解決用戶的計(jì)算問(wèn)題。操作系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)各用戶的應(yīng)用程序?qū)τ布姆峙渑c使用。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，操作系統(tǒng)提供了正確使用這些資源的方法。
綜上所述，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)的硬件和軟件資源，并合理地組織調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作和資源的分配，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環(huán)境的程序集合。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)研究和應(yīng)用的發(fā)展逐步形成并發(fā)展起來(lái)的，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件。
二、特征
操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，但與其他的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件有很大的不同，它有自己的特殊性即基本特征。操作系統(tǒng)的基本特征包括并發(fā)、共享、虛擬和異步。這些概念對(duì)理解和掌握操作系統(tǒng)的核心至關(guān)重要，將一直貫穿于各個(gè)章節(jié)中。
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)行著的程序，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。
注意同一時(shí)間間隔(并發(fā))和同一時(shí)刻(并行)的區(qū)別。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，而在每一時(shí)刻，單處理機(jī)環(huán)境下實(shí)際僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序還是在分時(shí)地交替執(zhí)行。橾作系統(tǒng)的并發(fā)性是通過(guò)分時(shí)得以實(shí)現(xiàn)的。
注意，并行性是指系統(tǒng)具有可以同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性，在同一時(shí)刻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。
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。共享可分為以下兩種資源共享方式：
1) 互斥共享方式
系統(tǒng)中的某些資源，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然它們可以提供給多個(gè)進(jìn)程使用，但為使所打印或記錄的結(jié)果不致造成混淆，應(yīng)規(guī)定在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)該資源。
為此，當(dāng)進(jìn)程A訪問(wèn)某資源時(shí)，必須先提出請(qǐng)求，如果此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給進(jìn)程A使用，此后若再有其他進(jìn)程也要訪問(wèn)該資源時(shí)(只要A未用完)則必須等待。僅當(dāng)進(jìn)程A訪問(wèn)完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)程對(duì)該資源進(jìn)行訪問(wèn)。我們把這種資源共享方式稱為互斥式共享，而把在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)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，以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(wèn)方式
系統(tǒng)中還有另一類資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。這里所謂的“同時(shí)”往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對(duì)該資源進(jìn)行訪問(wèn)即“分時(shí)共享”。典型的可供多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”訪問(wèn)的資源是磁盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件也可以被“同時(shí)”共享，即若干個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)該文件。
并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個(gè)最基本的特征，這兩者之間又是互為存在條件的：
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(wèn)題;
若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效的管理，也必將影響到程序的并發(fā)執(zhí)行，甚至根本無(wú)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)槿舾蓚�(gè)邏輯上的對(duì)應(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(jué)上的事物。用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，稱為虛擬技術(shù)。在操作系統(tǒng)中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬處理器、虛擬內(nèi)存和虛擬外部設(shè)備等。
在虛擬處理器技術(shù)中，是通過(guò)多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來(lái)分時(shí)使用一個(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(jué)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，可以通過(guò)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，以便從邏輯上來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。當(dāng)然,這時(shí)用戶所感覺(jué)到的內(nèi)存容量是虛的。我們把用戶所感覺(jué)到的存儲(chǔ)器(實(shí)際是不存在的)稱為虛擬存儲(chǔ)器。
還可以通過(guò)虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺(tái)物理I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的I/O設(shè)備，這樣便可以使原來(lái)僅允許在一段時(shí)間內(nèi)由一個(gè)用戶訪問(wèn)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(wèn)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(注：學(xué)到后續(xù)內(nèi)容再慢慢領(lǐng)悟)。
4) 異步(Asynchronism)
在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底，而是走走停停，以不可預(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(duì)全局變量的訪問(wèn)順序不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)一樣)。但是只要運(yùn)行環(huán)境相同，操作系統(tǒng)必須保證多次運(yùn)行進(jìn)程，都獲得相同的結(jié)果。
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