【OS】计算机系统概述|操作系统基本概念|并发|并行|虚拟异步

news2024/12/29 10:00:41

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前言

一、操作系统的概念

操作系统（Operating System，OS）：控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源（OS是系统资源的管理者），合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合（OS向上层提供方便易用的服务）。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件（OS是最接近硬件的一层软件）。

二、操作系统的目标和功能

2.1 OS是系统资源的管理者

例如，我们执行一个动作：打开QQ程序程序进行聊天。

首先通过一层一层的文件夹、目录找到QQ.exe（可执行程序）。这是操作系统的文件管理功能。
双击运行QQ.exe。执行一个程序之前需要将该程序放在内存中，才能被CPU处理。因此，操作系统需要将该程序相关数据放入内存，这是操作系统的存储器管理功能。
QQ 程序正常运行。对应的进程被处理机（CPU）管理，这是操作系统的处理机管理功能。
QQ进行视频聊天，操作系统为其分配摄像头资源，这是操作系统的设备管理功能。

2.2 OS向上层提供方便易用的服务

2.2.0 图形化界面（GUI）

计算机最底层是纯硬件（裸机），只能听懂机器语言（二进制指令0、1）硬件对外暴露的就是不友好的交互接口。因此我们在其上方安装上操作系统，让它对外提供有好的交互接口。用户的命令经过操作系统传递给硬件。
这就像汽车一样。汽车底层就是一些复杂的硬件、框架，但是对用户提供的是简单医用的刹车、油门、方向盘……用户不需要关心汽车底层是什么。
这就是一种封装思想：操作系统将一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更加方便地使用计算机。用户无需关心底层硬件原理，只需对操作系统发出命令即可。

操作系统为了实现封装这一功能，提供了图形化界面这一功能。
操作系统向上层提供了两种接口：命令接口和程序接口。

2.2.1 命令接口

联机命令接口

联机命令接口又叫做交互式命令接口。早期用户使用命令行的方式与操作系统进行交互。后来有了图形化界面（GUI）。打开GUI的方式：win+R、输入cmd回车、使用命令行操作……简而言之，就是用户说一句系统就做一句。

脱机命令接口

脱机命令借口又叫做批处理命令接口。搜索打开计算机中的***.bat文件（可使用记事本打开），操作系统根据上面罗列的命令开始执行。简而言之，就是用户说一堆系统做一堆。

2.2.2 程序接口

操作系统对外还提供了程序接口。可以在系统调用（又称为广义指令）中使用程序接口。普通用户不能直接使用，只能通过程序代码间接使用。
系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。
例如：C语言中实现“Hello world!”程序时，在printf()函数底层就使用到了操作系统提供的显示相关的“系统调用”。

狭义的用户接口不包括图形化界面（GUI）。

2.3 OS是最接近硬件的一层软件

没有任何软件支持的计算机成为裸机，它仅仅是计算机系统的物质基础。所以我们需要实现对硬件机器的扩展。

例如：会转的发动机和可以带着会滚的轮子，使原始硬件机器得到扩展。类比：操作系统载着硬件裸机，实现对硬件功能的扩展。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机。

三、操作系统的特征⭐⭐⭐⭐

3.1 并发（Concurrence）

并发：是指两个或者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，但是在微观上是交替发生的。（任何时刻都是多项任务）
- 易混淆概念：并行，是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。（任何时刻都是一项任务）
操作系统的并发性：是指计算机系统“同时”进行着多个程序，这些程序宏观上是同时进行的，微观上是交替进行的。操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。
注意：
- 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地进行。
- 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第八代i3处理器就是4核CPU，意味着可以并发地执行4个程序。
- 如果它有4个以上的程序需要“同时”执行，那么并发性依然必不可少。因此，并发性是操作系统一个最基本的特征。

3.2 共享（Sharing）

3.2.1 互斥共享方式

系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但是一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
例如：QQ视频与微信视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。

3.2.2 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。
例如：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上，两边都在同时读取发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取资源。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。
并发和共享的关系：互为存在条件。例如：QQ发送文件A，微信发送文件B。
- 两个进程正在并发执行（并发性）；
- 需要共享访问硬盘资源（共享性）。
  - 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享型失去存在的意义。
  - 如果是去共享性，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，就无法并发。
所以：并发与共享互为存在条件。此外，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。

3.3 虚拟

虚拟：是指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。

已知：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

Q：为什么可以在4GB内存的计算机上同时执行需要内存为4GB的GTA5、256MB的QQ、256MB的网易云音乐……呢？
- A：使用了虚拟存储器技术。实际上只有4GB内存（物理上的实体），在用户看来运行这些应用需要大于4GB的内存，似乎只有4GB内存的计算机内存明显不够（用户角度：逻辑上的对应物）。
- 这就是虚拟技术中的“空分复用技术”。
Q：为什么单核计算机可以执行多个程序呢？
- A ：使用了虚拟处理器技术。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎由多个CPU在同时为自己服务。
- 这就是虚拟技术中的“时分复用技术”，微观上处理机各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

3.4 异步

异步：在多道程序情况下，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，这就是进程的异步性。只要运行环境相同，操作系统就须保证多次运行进程前后都能获得相同的结果。

异步技术的优势：

提高并发性：异步技术允许多个任务同时进行，而不需要等待其他任务完成。这使得系统能够更有效地利用资源，处理更多的任务，从而提高并发性。
增强响应速度：在处理长时间运行的任务时，异步技术可以避免阻塞主线程或进程，从而保持系统的响应速度。例如，在用户界面编程中，异步操作可以避免界面冻结，提高用户体验。
资源高效利用：通过异步I/O操作，系统可以在等待I/O操作完成时，继续处理其他任务。这避免了资源的闲置，提高了系统的整体效率。