一支王同学

【操作系统①】——操作系统的定义和功能、操作系统的四大特征【并发共享虚拟异步】

因为我们的课程里面有用 C/C++ 来写代码，所以我会综合我们的课程和其他优质资料来写文章。

争取这学期把《操作系统》这一系列文章好好做完。

文章目录

一、操作系统简介：
一、操作系统的定义：
二、操作系统的功能和目标：
- 功能 1：作为系统资源的管理者
- 功能 2：向上层提供(方便易用的)服务
- 功能 3：对硬件机器进行拓展
四、小结一(操作系统的定义和功能)：
五、操作系统的四大特征：
- 特征 1 ：并发性
- 特征 2 ：共享性
- - (补充内容)并发和共享的关系
- 特征 3 ：虚拟性
- 特征 4 ：异步性
- - (补充内容)并发和异步的关系
六、小结二(操作系统的四大特征)：
七、参考附录：

操统学问三五两，小生斗胆码一场。

下一篇文章地址链接：【操作系统②】——操作系统的发展与分类、操作系统的结构设计【分时操作系统整体式层次式】.

期末考试总复习——地址链接：《操作系统期末总复习——绝地求生版》.

一、操作系统简介：

操作系统，大家都耳熟能详了，像市面上的Windows、安卓、苹果操作系统…我先用一个通俗的例子来说明一下吧。(帮助初学者快速理解)

操作系统是硬件和软件之间的桥梁。这里，硬件就可以比作 “人身上无生命特征的物质” ，而软件就可以比作 “人身上有生命特征的细胞” 。

最后，操作系统就可以比作“每个细胞里面的基因序列(DNA)”。它(操作系统)虽然也无生命特征，属于物质，但它管辖着身体里的一切底层逻辑。

一、操作系统的定义：

操作系统(Operating System，OS) 是指一个
①能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的；
②并能提供方便的接口和环境给用户和其他软件的；
③计算机系统中最基本的系统软件。

说明：定义中的①②③分别对应着图中的箭头①②③。
还有就是，“用户” 有一部分区域直接和 “操作系统”区域相接，说明，用户有时候可以直接对操作系统进行修改。(后续课程中会有)

举一个栗子：

二、操作系统的功能和目标：

功能 1：作为系统资源的管理者

功能 1 对标定义①：【能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的】

$系统资源的管理者=\begin{cases}处理机管理\\存储器管理\\设备管理\\文件管理\end{cases}$

举一个栗子：

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。

功能 2：向上层提供(方便易用的)服务

功能 2 对标定义②：【并能提供方便的接口和环境给用户和其他软件的】

总述：操作系统把一些 丑陋的硬件功能 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。

比如说，我们要刷新网页，按一下 “F5” 就可以了。而不需要向电脑输入“一串刷新代码”。

同样滴，在 Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。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命令、参数。这就是GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）技术。

那什么是命令接口呢？

“命令接口”，包含“命令”两字，表示它是一种指令，发出来能实现某种功能。而“接口”两字，则表示，它是对外开放的，也就是人们能和它进行“外交”，“外交”的方式是以人按键盘、按鼠标的方式，而不需要以“计算机二进制的方式”。

命令接口分为两类，一类是联机命令接口，另一类是脱机命令接口。接下来，我分开来讲。

联机命令接口。“联机” ，谁联机？想一想，那只有人了。也就是说，该命令接口是和人有联系的，需要和人一直进行“互动”。

举一个栗子，跟着下面的操作做：
首先，按 “win键+R” (得是Windows系统才行)
输入“cmd”，回车，打开命令解释器
再输入 “help”

结果会输出 “ 大部分Windows 命令的帮助信息。”
然后你划到最下面，会看到光标在一闪一闪的，这说明该“系统”在等着你下一条输入，它在和你“交互”。

故联机命令接口的特点是：“用户说一句，系统跟着做一句”。【你可以再试着输入 VER，看看会出现什么？(version的缩写)】

脱机命令接口。“脱机” ，谁脱机？当然，也只有人了。也就是说，该命令接口要脱离人，不需要和人一直进行“互动”。

怎么理解呢？CPU计算速度这么快，而人的输入速度(手速)明显赶不上，所以刚刚的联机命令接口的效率明显很低。而怎么提升效率呢？就是用到这个了。

我们现在把CPU看成一名做菜巨快的“厨师”，外设(电脑外围设备)看成一名“客户”。好，客户进门，开始点菜了。如果采用 “联机命令接口”，那么就是“客户”点一个菜，“厨师”就做一道，很快就做完了，然后就闲着，直到“客户”点下一道菜，“厨师”再做。很明显，“厨师”效率不高，浪费开火的天然气什么的。

而要是采用“脱机命令接口”，那么“厨师”就得等，等“客户”把想点的菜都在本子上写好，交给他，他再一气呵成，快速做完，效率不就高多了。

故脱机命令接口的特点是：“用户说一堆，系统跟着做一堆”。【一次性说完】

最后什么是程序接口呢？

程序接口：可以在程序中进行系统调用的接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码来间接使用。

如：写C语言“Hello world”程序时，在 printf() 函数的底层就使用到了操作系统提供的显式相关的“系统调用”。

功能 3：对硬件机器进行拓展

功能 3 对标定义③：【计算机系统中最基本的系统软件】

没有任何软件支持的计算机叫做裸机。在裸机上安装的操作系统，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成为扩充机器，又称之为虚拟机。

类比汽车：发动机——只会转；轮胎——只会滚；在原始的硬件机器上覆盖一层传动系统→→让发动机带着轮子转→→使原始的硬件机器得到拓展。

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。而普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的，只需直接使用操作系统提供的接口即可。

四、小结一(操作系统的定义和功能)：

其实不管是设备管理，还是文件管理等等，这些东西到后面都会用一个章节去讲。本文简单的了解一下操作系统的各个概念，起到一个 “引言” 的作用。后面还要讲进程、并发等很多东西。

五、操作系统的四大特征：

特征 1 ：并发性

并发通常和并行的概念比较分析。

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。易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

比如说，一般我们大学在宿舍点外卖。吃饭的时候一般要看视频下饭。那么这里我们就是在并行(同时进行)地执行两件事。而当我们晚上和几个有好感的女生聊天时，我们虽然在宏观上是在同时和她们聊。但在微观上是交替着聊的，这就是并发。

补充说明：单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个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 Intel 的第八代 i3 处理器就是 4 核 CPU，意味着可以并行地执行4个程序。

特征 2 ：共享性

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。
【注：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次工作活动，是系统进行资源分配和调度运行的基本单位。后面会细讲】

资源共享的方式分为图上的两种，它俩的区别如绿框所示。

生活实例：
互斥共享方式：使用 QQ和微信与好友进行视频时。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程(QQ或微信)。
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。宏观上看，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。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

(补充内容)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。

通过上一个生活实例来看并发与共享的关系：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）。而如果失去并发性，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）。而如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法同时发送文件，也就无法并发。

所以，并发性和共享性互为存在条件。

特征 3 ：虚拟性

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。

虚拟技术分为如图上两类。

什么是虚拟存储器技术呢？举一个栗子如下

背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

假如英雄联盟需要4GB的运行内存，QQ 需要256MB的内存，网易云音乐需要256MB的内存，动态壁纸需要100MB的内存……
假如我的电脑只有：4GB内存

问题：这些程序同时运行需要的内存远大于4GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？
答：这是虚拟存储器技术(也叫作空分复用技术)。实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB。

在后面的章节我们将系统讲解，这里只做大致的了解。

接着要问，那什么又是虚拟处理器技术呢？同样举个栗子如下

假如说我的电脑只配置了单核CPU，并打开了以下软件。。。

问题：既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行，那么为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢？
答：这是虚拟处理器技术(也叫作时分复用技术)。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有 6个CPU在同时为自己服务。即在微观上，处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

补充一点：显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只能运行一道程序，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。

特征 4 ：异步性

异步性是指，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。

再比如说，继续说大学在宿舍点外卖的事。吃饭的时候假如家里人打电话来了。我们能边吃边说， “美味外卖” 和 “手机电话” 这时就在抢占 “我这个人的资源” 。
但我的能力有限，消化道和支气管道只能一个一个地开，不能“双开”，而有时候我可能要不停地说话，说很长一段时间，所以我吃完饭的时间就不可预知。(同理，反向思维也可以推出：我打完电话的时间也不可预知，因为可能我每次说话前，可能嘴里有饭，得先吞下去再说，而吞也需要花时间)

(补充内容)并发和异步的关系

显然，如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。然后再执行下一个程序。

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

六、小结二(操作系统的四大特征)：

①理解并发和并行的区别。
②并发和共享互为存在条件。
③没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

七、参考附录：

[1] 《王道计算机考研操作系统》
看视频可能快一些，但深刻理解还是需要文字和沉淀
链接: https://www.bilibili.com/video/BV1YE411D7nH?p=2.

[2] 《操作系统A》
我们上课用的慕课
链接: https://www.icourse163.org/course/NJUPT-1003219004?from=searchPage.

[3] 《操作系统教程》
我们上课用的教材