1.1_1操作系统的概念和功能

操作系统的概念

• 操作系统（Operating System， OS） 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和工作和资源的分配；

  1操作系统是系统资源的管理者

• 以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；

  2向上层提供方便易用的服务

• 它是计算机系统中最基本的系统软件。

  3是最接近硬件的一层软件

操作系统的功能和目标

向上层提供方便易用的服务——封装思想：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地原理，只需要对操作系统发出命令即可。
例子：1GUI（图形化界面用户接口）
2联机命令接口实例（Windows系统） 联机命令接口 = 交互式命令接口
用户给一个命令，系统执行一个命令

3脱机命令接口实例（Windows系统） 脱机命令接口 = 批处理命令接口
用户给一堆命令， 系统执行一堆命令

123给普通用户使用，4对于程序员使用
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使用。
就例如程序员在书写C语言库函数，执行时会使用程序接口（有一系列系统调用组成），操作系统收到调用，随机使用硬件（显示器），得到程序效果实现。

作为最接近硬件的层次：
需要实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机成为裸机。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。

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。

1.1_2操作系统的特征

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。

常考已混概念——并行：指两个事件或多个事件同一时刻同时发生。
并发在单一时刻只发生一个，并行在单一时刻发生多个。

操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行，而微观上看是交替运行的。
（多线程是由操作系统调配CPU的，有的并发有的并行，并行取决于个人的核）
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（重要考点）：
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。
（现在有使用超线程技术，一个核心可以并行两个程序）

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。

互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供多个进程使用，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，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问地（即分时共享）

（这里会有互斥锁和共享锁的概念，后面提及）

并发和共享的关系

并发性是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多个并发执行的进程共同使用。

（先有并发性使得系统可以同时运行多个程序，多个程序才能利用共享性来同时访问系统里的资源。）

并发性和共享性互为存在条件。

虚拟

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。

虚拟技术中的“时分复用技术”。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。

异步

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，已不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

（多个程序并发执行，但是由于资源有限，不同进程的需求满足不同，导致进程不一样，造成异步）

如果失去了并发性，即系统只能串行地允许各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。<br
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

1.2_操作系统的发展与分类

重点是绿色边框内容。

手工操作阶段

主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

进阶

批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入、输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出。
采用外围机来读入多个用户的数据，监督程序是操纵系统的雏形。

主要优点：缓解了一定程序的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后，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，资源利用率依然很低。

进阶

批处理阶段——多道批处理系统

此时操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。
每次往内存中读入多道程序。

通过甘特图来图示说明：

主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。
资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序中输入一些参数）。

进阶

分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。
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，感受不到别人的存在。

主要缺点：**不能优先处理一些紧急任务。**操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

进阶

实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机操作系统接收到外部信号后及时处理，并且要在严格的时限内处理完事件。
实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

总结