【第一期】操作系统期末攻略：深度复习与知识精炼

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前言

     本文主要带来的是操作系统的期末复习总结第一期 —— 操作系统的概述和操作系统的发展历程。
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一. 操作系统概述

1.1 操作系统定义

    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地工作和资源分配；以提供给用户和其他软件方便地接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。

1.2 操作系统的作用

1. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
2. 作为计算机系统的资源管理者
3. 使裸机称为扩充机器
   
   

1.3 操作系统的功能

操作系统的功能包括：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理。
处理器管理功能：用于分配和控制处理器

存储器管理功能：负责内存的分配与回收

设备管理功能：负责I/O设备的分配与操纵

文件管理功能：负责文件的存取、共享和保护

1.4 操作系统的特征

1.4.1 并发性

并发性

     并发性：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，微观上是交替发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行的程序

并行性

并行性：两个或多个事件在同一时刻同时发生。

1.4.2 共享性

     共享性是指系统中的资源可供主存中多个并发执行的进程共同使用。共享的方式分为互斥共享和同时访问两种方式。

• 互斥共享：指当资源被一个进程A占用时，其他想使用该资源的进程B就只能等待，只有进程A使用完该资源后，进程B才能够使用该资源，这种共享方式就叫做互斥共享，把这种资源叫做临界资源或独占资源。
• 同时共享：某一资源在一段时间内可由多个进程 “同时” 访问，这种 “同时” 时宏观的，在微观上，这些进程可能时交替对该资源进行访问。

1.4.3 虚拟性

     虚拟性：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受的。虚拟技术可分为时分复用技术和空分复用技术。

• 时分复用技术：微观上处理机在各个微小的时间段交替着为个进程服务。
• 空分复用技术：指多个程序或用户同时使用一个资源的不同部分。

1.4.4 异步性

     异步性：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。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。

总结：操作系统最基本的特征是并发和共享，两者互为存在条件。

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二. 操作系统的发展历程

2.1 人工操作阶段

    输入/输出速度慢，处理机处理速度快，处理机利用率低。

2.2 单道批处理操作系统

    单道批处理是指一次只处理一道作业的批处理方式。在单道批处理中，作业按照顺序逐一提交，每次只有一道作业被执行，直到该作业完成后才能执行下一道作业。

2.3 多道批处理操作系统

    多道批处理操作系统是一种使得多个作业同时在计算机系统上运行的操作系统。 它的主要特点是同时在内存中装入多个作业，并按照一定的调度算法，将CPU的利用率最大化。在运行过程中，操作系统会自动将一个作业的控制权转移到另一个作业上，以实现多个作业的交替执行。

2.3.1 多道批处理操作系统的特性

无序性：程序不一定是按照进入内存的时间先后顺序进行调度；

多道性：内存中可允许多道作业驻留；

调度性：由于内存中有多道作业，当一个作业完成后，需调度新的作业执行。

2.3.2 多道批处理操作系统的优点

• 提高了CPU的利用率：当一个程序处理I/O操作时，可将CPU让给其他程序；

• 提高了内存和I/O设备的利用率：多道程序可共享内存和I/O设备；

• 提高了系统的吞吐量：在CPU与I/O设备可并发执行的情况下，使系统在单位时间内完成的工作量大幅提升。

2.3.2 多道批处理操作系统的缺点

• 平均周转时间长：作业的周转时间指作业从进入系统到完成的时间差。多道批处理系统中，由于有多个作业排队，依次执行，因而作业的周转时间较长。

• 无交互能力：作业一旦提交给系统后，在执行过程中，用户不可与作业进行交互操作，给程序调试带来不便。

2.4 分时操作系统

    分时操作系统：把CPU的时间分成很短的时间片，这些时间片轮流地分配给各联机作业使用。

分时操作系统的特征：

同时性：允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。从宏观上看，多个用户同时工作，共享系统资源；而从微观上看，每个用户作业轮流运行一个时间片。分时操作系统提高了资源利用率，促进了计算机的广泛应用。

独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此，用户会感觉自己独占主机。

及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常1~3秒。

交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表现在：用户可以请求系统提供多方面的服务，文件编辑、数据处理和资源共享等。

2.5 实时操作系统

    实时操作系统是指系统能够及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。实时操作系统可以分为硬实时操作系统和软实时操作系统。

• 硬实时操作系统：需要保证任务在严格的时间限制内完成，任何延迟都是不可接受的；
• 软实时操作系统：则允许任务存在一定的延迟，但要尽可能满足任务的响应时间要求。

实时操作系统与分时操作系统的区别：

• 及时性：分时操作系统中的快速响应只要保证用户满意就行，即使超过一些时间也只是影响用户的满意的程度。而实时操作系统中的时间要求是强制性的，一般时间响应为毫秒级甚至微秒级，仅当在限定时间内返回一个正确结果时才能认为系统的功能是正确的。
• 独立性：实时操作系统更注重任务的独立性，任务之间必须是独立的，以保证任务的实时性能；而分时操作系统更注重多用户的并发处理，任务之间可以相互影响，但通过时间片轮转的方式，确保每个用户都能得到相应的处理时间。
• 交互性：实时操作系统是较少有人为干预的监督和控制系统，仅当计算机系统识别到了违反系统规定的限制或本身发生故障时，才需要人为干预。而分时操作系统可以有频繁的交互，以方便用户使用。
• 可靠性：分时操作系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时操作系统要求有更高的可靠性和安全性，而不强求系统资源的利用率。这是因为实时操作系统的任何差错都可能带来巨大的损失，甚至是灾难性的后果，如导弹防御系统、卫星发射系统、股票系统等

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结语

     今天的干货分享到这里就结束啦！如果觉得文章还可以的话，希望能给个三连支持一下，聆风吟的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是作者前进的最大动力！