操作系统——概念、功能、特征及发展分类

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前言

本文的主要内容是操作系统的一些基础内容，包括操作系统的概念、操作系统的功能和目标、操作系统的特征以及操作系统的发展和分类，文中分别对操作系统扮演不同角色时的功能和目标做了介绍，也对操作系统的四个特征做了说明和举例，还介绍了操作系统不同阶段的发展情况。

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一、操作系统的概念

常见的操作系统(Operating System, OS)有 Windows、Android、IOS、MacOS 和 Linux 等。
计算机系统的层次结构如下图所示，用户可以通过应用程序和操作系统交互，也可以直接和操作系统交互（比如设置系统时间等操作）。

操作系统是指控制和管理整个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。

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二、操作系统的功能和目标

1、作为资源的管理者

操作系统作为资源的管理者，其功能和目标如下图所示。

操作系统作为资源的管理者，它包括的功能有：文件管理、存储器管理、处理机管理和设备管理，具体的例子使用见上图。

2、作为用户和计算机硬件之间的接口

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，其功能和目标如下图所示。

用户接口分为命令接口和程序接口。命令接口允许用户直接使用，它又分为联机命令接口和脱机命令接口。
联机命令接口是指用户输入一句，系统跟做一句，它是一种交互式的命令接口；脱机命令接口是指用户输入一堆，系统跟做一堆，它是一种批处理命令接口。
程序接口允许用户通过程序间接使用(例如dll文件的调用)，它由一组系统调用组成，程序接口等价于系统调用，系统调用也称作广义指令。
GUI(Graphics User Interface)，即图形用户界面，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而无需记忆复杂的命令或参数。例如：Windows环境下删除一个文件只需要将文件拖拽到回收站即可，无需使用命令。

3、作为最接近硬件的层次

操作系统作为最接近硬件的层次，其功能和目标如下图所示。

操作系统作为最接近硬件的层次，主要的功能是完成对硬件机器的拓展，让上层用户更好地使用。
将上面操作系统的概念、功能和目标总结一下，如下图所示。

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三、操作系统的特征

操作系统的特征有：并发性、共享性、虚拟性和异步性。并发性和共享性是两个最基本的特征，二者互为存在的条件。

1、并发性

并发性指的是两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件从宏观上看是同时发生的，但在微观上是交替发生的。
并行性指的是两个或多个事件在同一时刻同时发生。
操作系统的并发性指的是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，操作系统的功能就是负责协调多个程序的交替执行。（多个程序从宏观上看是同时执行的，但从微观上看是交替执行的）
4核的CPU意味着同一时刻可以并行执行4个程序，但是操作系统的并发性依然必不可少。

2、共享性

共享性即资源的共享，指的是系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
共享的方式包括互斥共享和同时共享。
互斥共享指的是系统中的某些资源虽然可以提供给多个进程使用，但在一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
举例：如果你正在微信上进行视频聊天，这时候在同一个设备上再用QQ视频聊天是行不通的，因为摄像头资源正在被微信程序使用，如果要使用QQ进行视频聊天，那么就得先关掉微信的视频聊天将摄像头资源腾出来给QQ使用。
同时共享指的是系统中的某些资源在同一个时间段内允许多个进程同时对它们进行访问。这里的同时往往是宏观上的，在微观上很可能是交替对该资源进行访问的（即分时共享）。
举例：使用QQ和微信同时分别发送电脑上的两个文件，宏观上看，两边都在读取并发送文件，说明这两个进程都在访问硬盘资源从中读取数据，但微观上看，两个进程在交替访问硬盘资源。
通过上面QQ和微信同时发送文件的例子可知，两个进程在并发执行，同时在共享硬盘资源。如果失去并发性，那么系统中只有一个程序在运行，共享性就失去了存在的意义。如果失去共享性，那么两个程序不能同时访问硬盘资源，就无法同时发送文件，也就无法并发。因此，并发性和共享性互为存在的条件。

3、虚拟性

虚拟性是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，前者是实际存在的，后者是用户感受到的。
虚拟性包括空分复用技术和时分复用技术。
一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。
举例：电脑只有4GB内存，一个游戏需要4GB的运行内存，但在玩游戏的同时，可以打开许多其他的软件，所有这些程序同时运行的内存远大于4GB，但是可以在电脑上同时运行，这就是虚拟存储器技术，电脑只有4GB内存，但在用户看来远大于4GB。这就是虚拟技术中的空分复用技术。
举例：一个单核的CPU可以同时打开多个程序，在用户看来，有多个CPU在同时为自己服务，这是虚拟技术中的时分复用技术，从微观上看，处理器在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。
如果失去了并发性，那么在某一个时间段内只有一个程序在运行，因此就失去了实现虚拟性的意义，即没有并发性，就谈不上虚拟性。

4、异步性

异步性指的是在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但是由于资源有限，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。
同样的，如果失去了并发性，那么系统只能处理单个进程，每个进程的执行也会从一而终，不会出现阻塞等待的问题，因此，只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
总的来说，没有并发性和共享性，就谈不上虚拟性和异步性，因此，并发性和共享性是操作系统最基本的两个特征。

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四、操作系统的发展和分类

操作系统的发展和分类如下图所示，各个阶段的优点主要是解决上一阶段的缺点。

手工操作阶段的主要缺点是：用户独占全机，人机速度差异大导致资源利用率极低。

1、批处理阶段

批处理阶段又分为单道批处理系统和多道批处理系统，到多道批处理阶段，操作系统才正式诞生。
单道批处理系统引入脱机输入/输出技术，这个过程依靠磁带完成，监督程序负责控制作业的输入和输出。
单道批处理系统的优点是：缓解了一定程度上的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
单道批处理系统的缺点是：内存中某一时间段内仅能有一道程序运行，只有该程序结束后才能调入下一道程序，CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成，资源利用率虽然有所提升，但仍然不太高。
多道批处理系统的优点是：多道程序可以并发执行，并且共享计算机资源，资源利用率大幅度提升，CPU和其他资源保持忙碌状态，系统的吞吐量增大。
多道批处理系统的缺点是：用户响应时间长，没有人机交互功能，也就是说，用户提交自己的作业之后只能等待计算机处理完成，中间过程用户是不能控制自己的作业执行的。
举例：假设计算机要处理三个作业：
作业1：输入需要1秒；计算需要1秒；输出需要1秒。
作业2：输入需要1秒；计算需要1秒；输出需要1秒。
作业3：输入需要1秒；计算需要1秒；输出需要1秒。
若采用单道批处理技术，其工作情况和耗时如下图所示。

若采用多道批处理技术，其工作情况和耗时如下图所示。

可以看到，采用多道批处理技术能够使得资源利用率大幅度提升，CPU等资源可以并行工作而不是像单道批处理技术那样串行工作。

2、分时操作系统

在分时操作系统中，计算机以时间片为单位轮流为各个用户或者作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。
分时操作系统的优点：用户请求可以被及时响应，解决了多道批处理系统中不能进行人机交互的缺点。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，每个用户感受不到其他用户的存在。
分时操作系统的缺点：不能优先处理一些紧急任务，操作系统对每个用户或作业是完全公平的，循环的为其服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

3、实时操作系统

实时操作系统要求计算机系统在接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时间内处理完事件，其主要特点是及时性和可靠性。
实时操作系统又分为硬实时系统和软实时系统。
硬实时系统必须在绝对严格的规定时间内完成处理，比如导弹控制系统、自动驾驶系统等。
软实时系统能够接受偶尔违反时间的规定，例如订票系统。
实时操作系统的优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务无需进行时间片排队。

4、其他操作系统

网络操作系统是伴随着计算机网络的发展而诞生的，它能够把网络中各个计算机有机的结合起来，实现数据的传送、网络中各种资源的共享以及各台计算机之间的通信。
分布式操作系统的主要特点是分布性和并行性，系统中各台计算机的地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，并由它们并行协同完成该任务。
个人计算机操作系统例如Windows XP、MacOS等，它方便个人的使用。
对以上操作系统发展和分类的内容进行简单的总结，如下图所示。

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总结

以上就是操作系统——概念、功能、特征及发展分类的所有介绍了，本文中关于操作系统的内容都是比较基础的，应当牢记，重点理解操作系统的功能、操作系统的四个特征及其不同发展阶段的优缺点！
参考视频：
操作系统的概念、功能和目标
操作系统的特征
操作系统的发展和分类