操作系统：1.1 操作系统的基本概念

• 1. 操作系统的概念
• 2. 操作系统的基本特征▲
• • 2.1 并发
  • 2.2 共享
• 3. 操作系统的目标和功能
• • 3.1 操作系统作为计算机系统资源的管理者
  • 3.2 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
  • • 命令接口
    • 程序接口
  • 3.3 操作系统实现了对计算机资源的扩充
• 参考资料

• 概念： 操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理的组织、调用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的接口与环境的程序集合。
• 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。
• 计算机系统自下而上分为4个部分：
  

对概念的理解和掌握操作系统的核心至关重要

• 并发：强调的是同一时间间隔。并发性是通过分时得以实现的。宏观上是多道程序同时进行，微观上仍是分时交替执行。

• 并行：强调的是同一时刻。并行性是指系统具有同时进行运算或操作的特性。（需要相关硬件的支持，如多流水线或多处理机硬件环境）

  时刻和时间间隔的区别：
   
  “时刻”相当于坐标点，“时间间隔”相当于线段长度，“时刻”就是这线段的端点——用坐标来解释更易理解。

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：规定在一段时间内只允许一个进程访问。
  • 临界资源：在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
  • 例：QQ和微信都来了视频通话，但是只能接通一个。因为摄像头的资源只能允许一个程序访问。
• 同时访问方式：允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。
  • 同时——宏观上是同时的，而微观上，这些进程可能是交替的对资源进行访问。
  • 同时访问共享通常要求一个请求分几个时间片段间隔地完成，其效果与连续完成的效果相同。
  • 例：QQ在发送文件A，微信在发送文件B，宏观上两个进程A和B都在访问磁盘，在我们看来是同时进行的，但是在微观上两个进程A和B是交替进行访问磁盘的，只是时间太短，cpu处理速度太快，我们感觉不到。

并发性和共享性是基本特征，两者互为存在的条件：

2.3 虚拟
虚拟是把一个物理上的实体变成为若干逻辑上的对应物；物理实体（前者）是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是用户感觉的事物。

• 虚拟技术： 用于实现虚拟的技术。操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。
  • 虚拟技术可归纳为：时分复用技术(处理器的分时共享)、空分复用技术(虚拟存储器)
• 虚拟处理器技术： 是通过多道程序设计技术，釆用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。
• 虚拟处理器： 利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU。
• 虚拟存储器： 用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户感觉到（但实际不存在）的存储器。

2.4 异步
异步性： 多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进。
异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误。

举个例子来理解下面三个功能：

我们假设：用户是雇主，操作系统是工人（用来操作机器），计算机是机器（由处理机、存储器、设备、文件几个部件构成）
工人有熟练的技能去控制和协调各个部件的工作，这就是操作系统对资源的管理
工人必须接受雇主的命令，这就是接口
有了工人，机器就能发挥更大的作用，因此工人就成了扩充机器

1. 处理机管理
2. 存储器管理
3. 文件管理
4. 设备管理

以上四种都由“工人”负责，“雇主”无须关注。

为了让用户方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件并运行自己的程序，操作系统还提供了用户接口。
操作系统的接口主要分为两类：

1. 命令接口：用户直接利用这些操作命令来组织和控制作业的执行

2. 程序接口：用户间接使用，编程人员可以使用他们来请求操作服务系统。、、

   操作系统提供给编程人员的接口是（ ）。
   A.库函数  B.高级语言  C. 系统调用  D. 子程序
   答案：C
   解释：程序接口由一组操作系统组成。

按作业控制方式的不同，命令接口可分为：
4. 联机命令接口：又称交互式命令接口。适用于分时或实时系统的接口。它由一组键盘操作命令组成。联机命令接口可理解为：“雇主”说一句话，“工人”做一件事，并做出反馈，这就强调了交互性。

5. 脱机命令接口：又称批处理命令接口。适用于批处理系统，它由一组作业控制命令组成。脱机用户不能直接干预作业的运行，而应事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书，连同作业一起提交给系统。脱机命令接口可理解为：“雇主”把要“工人”做的事写在清单上，“工人”按照清单命令逐条完成这些事，这就是批处理。

• 程序接口是有一组系统调用（广义指令）组成。

• 用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务。

  系统调用的目的是（ ）。
  A.请求系统服务   B.中止系统服务  C.申请系统资源  D.释放系统资源
  答案：A

• 图形用户界面（GUI），即图形接口。

  • GUI最终是通过调用程序接口实现的，用户通过鼠标和键盘在图形界面上单击或使用快捷键（例如：将桌面程序直接拖到回收站），就能很方便地使用操作系统。
  • 图形接口不是操作系统的一部分，但图形接口所调用的系统调用命令是操作系统的一部分。

操作系统与用户通信接口通常不包括（）。
A. shell  B.命令解释器   C.广义指令  D.缓存管理指令
答案：D
解析：A：shell是命令解析器，也属于命令接口；B：命令解释器，属于命令接口；C：广义指令就是系统调用，属于程序接口；D：系统中的缓存全部由操作系统管理，对用户是透明的，操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。

说明库函数与系统调用的区别和联系。
 
  库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中。而系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间中，而且许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常要比系统调用的高。因为使用系统调用时，需要上下文的切换及状态的转换（由用户态转向核心态）。

• 裸机： 没有任何软件支持的计算机`。
• 扩充机： 又称虚拟机，覆盖软件的机器。

“工人”操作机器，机器就有更大的作用，于是“工人”便成了 “扩充机器”。

注意，本课程所关注的内容是操作系统如何控制和协调处理机、存储器、设备和文件，而不关注接口和扩充机器，后两者读者只需要有个印象，能理解即可。

《王道：23操作系统考研复习指导》