第一章计算机系统概述

操作系统的特征

操作系统的四个特征

并发
共享
并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件（原因见下文）

虚拟
异步

（一）并发

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。
并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

个人理解：并行是“真的”同时发生，并发是“假的”同时发生。

操作系统的并发性是指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。

为什么说并发性对于操作系统是一个很重要的基本特性？

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。

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。

但是，如果已经运行了4个程序，还想再运行第5个程序时，第5个程序就要剥夺原有程序占用的CPU资源，轮流地使用CPU，就仍需要并发性。

因此，即使是对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要“同时”运行，那么并发性依然是必不可少的，因此，并发性是操作系统一个最基本的特性。

（二）共享

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。

资源共享可以分为两种共享方式

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
此处的“同时”为什么要打双引号，因为此“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）。但是也有微观上同时访问的情况，例如扬声器同时播放游戏音效和音乐播放器中的歌曲，从微观上就是同时的。

【生活实例】

互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。

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。

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内存中多个并发执行的进程共同使用。

通过一个例子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）

2、需要共享地访问硬盘资源（共享性）

如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义。

如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发。

因此，并发性、共享性，互为存在条件。

（三）虚拟

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。

例如，一款游戏需要4G运行内存，QQ需要256M运行内存，网易云音乐需要256M运行内存……

我的电脑：4G运行内存

问题：这些程序同时运行需要的内存大于4G，为什么它们还可以在我的电脑上同时运行？

答：这是虚拟存储器技术。物理实体只有4GB，但在用户看来似乎远远大于4G。这也是虚拟技术中的“空分复用技术”。

例如，某单核CPU的计算机中，用户打开了若干软件：QQ、Chrome浏览器、QQ音乐、迅雷……

问题：既然一个程序需要上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。实际上只有一个单核CPU，但在用户看来似乎有多个CPU在同时为自己服务。这也是虚拟技术中的“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。

（注：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。）

虚拟技术

空分复用技术（如虚拟存储器技术）
时分复用技术（如虚拟处理器）

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，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。

（四）异步

异步是指，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。

由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此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。

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。因此，只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

同步与异步

同步：同步是指一个进程在执行某个请求的时候，如果该请求需要一段时间才能返回信息，那么这个进程会一直等待下去，直到收到返回信息才继续执行下去。
异步：异步是指进程不需要一直等待下去，而是继续执行下面的操作，不管其他进程的状态，当有信息返回的时候会通知进程进行处理，这样就可以提高执行的效率了，即异步是我们发出的一个请求，该请求会在后台自动发出并获取数据，然后对数据进行处理，在此过程中，我们可以继续做其他操作，不管它怎么发出请求，不关心它怎么处理数据。

补充理解

同步是指两个进程的运行是相关的，其中一个进程要阻塞等待另外一个进程的运行。“同”是协同，按照一定的顺序有序进行，而不是同时。即一组进程为了协调其推进速度，在某些地方需要相互等待或者唤醒，这种进程间的相互制约就被称作是进程同步。这种合作现象在操作系统和并发式编程中属于经常性事件。具有同步关系的一组并发进程称为合作进程。
异步的意思是两个进程毫无相关（不用互相等待），自己运行自己的。进程以不可预知的速度向前推进。内存中的每个进程何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需要多少时间才能完成等，都是不可预知的。