概念

操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

计算机操作系统的层次结构：裸机（硬件 CPU、内存、硬盘）-> 操作系统 -> 应用软件（程序 QQ、微信、英雄联盟）-> 用户

  1. 用户角度：OS 管理计算机系统的各种资源，扩充硬件的功能，控制程序的执行
  2. 人机交互：OS 是用户与机器的接口，提供良好的人机界面，方便用户使用计算机，在整个计算机系统中具有承上启下的地位
  3. 系统结构：OS 是一个大型软件系统，其功能复杂，体系庞大，采用层次式、模块化的程序结构

功能和目标

作为系统资源的管理者

补充知识：进程是一个程序的执行过程。执行前 需要将车内工序放到内存中，才能被 CPU 处理。

操作系统的概念 - 图1

用 QQ 和朋友视频聊天的过程：

  1. 在各个文件夹中找到 QQ 安装的位置（逐层打开文件夹，找到 QQ.exe 这个程序，也就是可执行文件的存放位置）
  2. 双击打开 QQ.exe（需要把该程序相关数据放入内存）
  3. QQ 程序正常运行（对应的进程被处理机（CPU）处理）
  4. 开始和朋友视频聊天（需要将摄像头设备分配给进程）

作为用户和计算机硬件之间的接口

  • 命令接口：允许用户直接使用
  • 程序接口：允许用户通过程序间接使用
  • GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口

操作系统的概念 - 图2

命令接口（允许用户直接使用）：

  1. 联机命令接口：用户说一句，系统做一句
  2. 脱机命令接口（批处理命令接口）：用户说一堆，系统做一堆

程序接口（允许用户通过程序间接使用）：

  • 由一组系统调用组成（程序接口 = 系统调用 = 广义指令）

GUI：图形用户界面（Graphical User Interface）

用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的指令和参数。

如 Windows、Android、iOS、macOS 的图形化操作界面。

作为最接近硬件的层次

需要提供的功能和目标：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个，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，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，又称为虚拟机。

特征

并发

并发：指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。（常考易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。）

并发 vs 并行

假设小黄和小明每人有两个女朋友。任务一：和 A 约会；任务二：和 B 约会

小黄：和 A、B 一起约会（并行约会：同一时刻进行两个约会任务）
小明：8-9点 A；9-10点 B；10-11点 A（并发约会：宏观，这一整天在同时进行两个约会任务。微观上，在某一时刻，小明最多正在进行一个约会任务）

操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行）

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。

两种资源共享方式：

  • 互斥共享方式：系统中某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
  • 同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

所谓的同时往往是宏观上的，微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）。

生活实例：

  • 互斥共享方式：使用 QQ 和微信视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
  • 同时共享方式：使用 QQ 发送文件 A，同时使用微信发送文件 B。宏观上，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。

并发和共享的关系

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性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。

使用 QQ 发送文件 A，同时使用微信发送文件 B。

  1. 两个进程正在并发执行（并发性）-> 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
  2. 需要共享地访问硬盘资源（共享性）-> 如果失去共享性，则 QQ 和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

并发和共享互为存在条件。

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配 CPU 才能执行。

虚拟存储器技术（空分复用技术）
虚拟处理器技术（时分复用技术）

操作系统的概念 - 图3

如果失去了并发性，则以一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。