操作系统的概念(定义)

计算机系统自下而上可大致分为4部分：硬件、操作系统、应用程序和用户（这里的划分与计算机组成原理中的分层不同）

操作系统(Operating System, OS)是指①控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，②进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合，③操作系统是计算机系统中最基本的系统软件

操作系统的目标和功能

从操作系统的定义可以归纳出：

1. 操作系统是系统资源的管理者

   直观的例子：打开 Windows 操作系统的 “任务管理器”

   

2. 操作系统要向上层提供方便易用的服务

3. 操作系统是最接近硬件的一层软件

操作系统作为计算机系统资源的管理者

作为系统资源的管理者，需要提供的功能有：

1. 文件管理

   计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等

2. 存储器管理

   存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率， 主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能

3. 处理机管理

   在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。并发是指在计算机内同时运行多个进程，因此进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、合理共享就是进程管理的最主要的任务。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等

4. 设备管理

   设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能

【计算机操作系统的重点就在于操作系统作为系统资源的管理者，要如何设计和实现以上功能】

举例说明：使用QQ进行视频聊天

• Step1：在各个文件夹中找到QQ安装的位置（如 D:/Tencent/QQ/Bin）

  ➡️文件管理功能：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

• Step2：双击打开 QQ.exe

  ➡️存储器管理功能：需要把该程序相关数据放入内存
  （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）

• Step3：QQ 程序正常运行

  ➡️处理机管理功能：对应的进程被处理机（CPU）处理

• Step4：开始和朋友视频聊天

  ➡️需要将摄像头、麦克风等设备分配给进程

（这些工作都由"工人"负责，"雇主”无须关注）

操作系统向上层提供方便易用的服务

为了让用户方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件并运行自己的程序，操作系统还提供了用户接口

操作系统提供的接口主要分为两类：
一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行；
另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务

操作系统向上层提供方便易用的服务体现的是封装思想，操作系统把一些对用户不友好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

命令接口

使用命令接口进行作业控制的主要方式有两种，即联机控制方式和脱机控制方式
按作业控制方式的不同，可将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口

• 联机命令接口

  联机命令接口又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口

  特点：用户说一句，系统跟着做一句
  （“雇主”说一句话，"工人”做一件事，并做出反馈，这就强调了交互性）

• 脱机命令接口

  脱机命令接口又称批处理命令接口，适用于批处理系统，它由一组作业控制命令组成

  特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
  （雇主”把要"工人”做的事写在清单上，"工人”按照清单命令逐条完成这些事，这就是批处理）

程序接口

程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口（普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接实用）

操作系统作为最接近硬件的层次

操作系统作为最接近硬件的层次的目标：实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机称为裸机，在裸机上安装的操作系统，可以提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，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称为扩充机器或虚拟机

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
（"工人”操作机器，机器就有更大的作用，于是“工人”便成了 “扩充机器”）

操作系统的特征（4个）

并发

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生

注意：区分并发和并行
并发：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
并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生

操作系统的并发性是指计算机系统中 “同时” 存在多个运行的程序，这些程序宏观上是同时运行的，但微观上是交替运行的
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（重点）：
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各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

比如一个4核CPU就可以并行地执行4个程序，但是只要有4个以上的程序需要“同时”运行，那么并发性依然是必不可少的

因此，并发性是操作系统一个最基本的特征

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
从共享的定义来看：
如果失去并发性，则系统只会有一个程序正在运行，那么共享性失去存在意义
如果失去共享性，那么不同程序不能同时访问硬盘资源，并发性就无法被实现
所以，并发性和共享性互为存在条件

共享可分为互斥共享方式和同时共享方式两种资源共享方式

互斥共享方式

系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但是一个时间段内只允许一个进程访问该资源
如打印机、磁带机等

同时共享方式

系统中的某些资源，允许一个时间段内有多个进程“同时”对他们进行访问
（这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享"的）
如磁盘设备等

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物
物理实体（前者）是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的事物

操作系统的虚拟技术可归纳为：①时分复用技术，如处理器的分时共享（虚拟处理器）；②空分复用技术， 如虚拟存储器

虚拟处理器（时分复用技术）

虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。此时，虽然只有一个处理器，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都感觉有一个中央处理器（CPU）在专门为它服务。利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU,称为虚拟处理器

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统只需运行一道程序，就失去了实现虚拟性的意义，因此没有并发性就谈不上虚拟性

虚拟存储器（空分复用技术）

虚拟存储器技术将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上扩充存储器的容量。当然，这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户感觉到（但实际不存在）的存储器称为虚拟存储器

异步

多道程序环境允许多个程序并发执行，并发运行的程序会争抢着使用系统资源，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性

小结（本节思维导图）

---

【计算机操作系统】 专栏的文章 均有参考 《王道计算机考研 操作系统》 课程视频