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什么是操作系统？操作系统的定义、功能、特性

2023-05-16

什么是操作系统？操作系统的定义、功能、特性

什么是操作系统？

首先，计算机的资源可以分为硬件资源和软件资源。
CPU、存储设备、各种类型的输入输出设备与外设等，共同构成计算机的硬件资源
各种程序、数据构成链计算机的软件资源

任何程序的执行都占用了计算机资源。
一个程序要执行，首先要从外存加载到内存，再通过CPU进行执行，可能还会调用公共服务子程序和共享文件以及其他外设，这些都是计算机资源

各个程序对计算机资源的需求可能会造成冲突。
如果没有规则或者程序对这些需求进行管理，势必会引起混乱。同时，对计算机资源进行分配也是同样有必要的

操作系统的任务就是对需求进行管理、对资源进行分配，同时，它还需要对用户提供服务
它是软件，是第一层直接和硬件接触的软件，是其他程序和硬件之间的接口，是其他软件的基础，是计算机中硬件、软件资源的总指挥部

操作系统特征

  1. 并发性
  2. 共享性
  3. 随机性

并发性

并发性在宏观看来，是一台机器中的多个程序同时并发运行
进一步看，是用户程序和用户程序之间的并发运行、用户程序与操作系统之间的并发运行。

微观来看，在单处理器系统上，这些程序是交替运行的
在多处理器系统中，这些程序不仅在宏观上是并发的，在微观上也是并发的

不管是哪一种计算环境，并发都是在操作系统统一指挥下的并发

共享性

操作系统对各种资源进行分配，所有程序共享CPU、内存、外存以及各种外设
有两种共享的形式：

  1. 互斥共享
  2. 同时共享

互斥共享的意思是，在一个时间段内，只能有一个程序使用该资源。例如打印机在打印的时候只能被一个程序使用。这样的资源称之为临界资源。

同时共享的意思是，在一个时间段内，可以有多个程序使用该资源，且使用的顺序对程序的执行结果并不会造成影响，看上去是同时使用的。一个典型的例子是外存。

随机性

随机性的含义是，操作系统不能对程序和硬件的情况作出事先的假定
它无法知道硬件在什么时候发出中断，也无法预测用户的下一步行动
也就是说，操作系统无法知道自己当前的状态
随机性突出了在设计操作系统时要充分考虑各种情况的重要性

操作系统功能

  1. 进程管理
  2. 存储管理
  3. 文件管理
  4. 设备管理

进程管理

管理进程即是管理CPU，因此进程管理也称之为CPU管理
为了提高CPU利用率，现代操作系统采用多道程序处理。当某一个程序陷入等待，或另一个程序重要度更高时，应当进行灵活的调度处理。
为了描述多道程序的并发执行，就需要引入进程的概念。

在多道环境下，进程是操作系统进行资源分配的单位

进程管理涉及以下四种功能：

  1. 进程控制
  2. 进程同步
  3. 进程通信
  4. 进程调度
  • 进程控制，即是创建进程时为进程分配资源、销毁进程、进行进程的状态转换等
  • 进程同步，即是在进程和进程之间进行协调，使得执行进度不可预知的多个进程有条不紊地进行。进程同步分为互斥协调和同步协调。
    互斥协调：在访问临界资源时使用互斥的方式。最简单的方式就是给资源加锁，并提供操作锁的原语。
    同步协调：协调执行顺序
  • 进程通信，即是交换进程和进程之间的信息，主要发生在相互协作地进程之间
  • 进程调度，即是使用算法，挑选一个进程或者线程，并为其准备好特定的上下文执行

原语：即是原子语言，和原子一样是不可再分的部分，要么执行、要么不执行

存储管理

存储管理主要包括：

  1. 内存的分配、内存的回收
  2. 存储保护：防止程序越界等等问题
  3. 内存的扩充：使用虚拟内存进行内存的扩充，控制比物理内存更大的内存

文件管理

  1. 文件的存储空间管理：通常使用离散分配的形式、以块为基本单位，对空间进行分配
  2. 文件目录管理
  3. 文件的各种操作
  4. 文件安全

设备管理

对众多的外设进行管理，需要具备中断处理、错误处理等等能力

操作系统之间的功能并不是完全独立的，它们之间存在着相互以来的关系

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什么是操作系统

操作系统的定义

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