【操作系统】操作系统的概述-程序员宅基地

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一、操作系统的概念(定义)

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的工作和资源的分配;以提供给用户和其他软件方便的接口和环境;它是计算机系统中最基本的系统软件

  • 操作系统是系统资源的管理者
  • 向上层提供方便易用的服务
  • 是最接近硬件的一层软件

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windows10的任务管理器,如下图,可以较为直观的展示操作系统对计算机硬件和软件资源的管理。

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二、操作系统的功能和目标

(一)、资源的管理者

下面以一个常见的软件使用过程的各个步骤的使用,展示下操作系统的功能:

用QQ和朋友视频聊天的过程:

  1. Step 1:在各个文件夹中找到 QQ 安装的位置(如 D:/Tencent/QQ/Bin)

此步骤需要逐层打开文件夹,找到 QQ.exe 这个程序(可执行文件)的存放位置,涉及文件管理

  1. Step 2:双击打开 QQ.exe

此步骤需要把该程序相关数据放入内存,涉及存储器管理

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。

  1. Step 3:QQ 程序正常运行

此步骤需要为对应的进程分配处理机(CPU),这个涉及处理机管理

  1. Step 4:开始和朋友视频聊天

此步骤需要将摄像头设备分配给进程,这涉及到操作系统的设备管理

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(二)、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的原理,只需要对操作系统发出命令即可。

在硬件之上安装了操作系统,操作系统对外暴露了“美丽”、友好的交互接口。下面介绍几种常见的接口。

GUI:图形化用户接口(Graphical User Interface)

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。

联机命令接口实例(Windows系统) 联机命令接口 = 交互式命令接口

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脱机命令接口实例(Windows系统) 脱机命令接口 = 批处理命令接口

使用windows系统的搜索功能,搜索C盘中的 *.bat文件,用记事本任意打开一个

特点:用户说一堆,系统跟着做一堆

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程序接口(系统调用)

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(三)、作为最接近硬件的层次

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。

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

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。

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三、操作系统的特征

  • 并发
  • 共享
  • 虚拟
  • 异步

并发与共享是操作系统最基本的特征,二者互为存在条件

(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

常考易混概念——并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生

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着的,而微观上看是交替运行的。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。

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,当运行的程序超过4个程序时,此时一定会有并发运行。

(二)、共享

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。

两种资源共享方式:

互斥共享方式
同时共享方式

所谓的“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)

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。

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

(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。

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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。

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。

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。只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

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四、操作系统的分类

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批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术,并由监督程序负责控制作业的输入、输出

主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾,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。

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批处理阶段——多道批处理系统

多道批处理系统体现了操作系统最基本的特征——并发与共享,意味着操作系统的正式诞生,其用于支持多道程序并发运行。

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/无法在程序运行过程中输入一些参数)

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分时操作系统

分时操作系统:计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,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。

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。

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网络操作系统

网络操作系统:是伴随着计算机网络的发展而诞生的,能把网络中各个计算机有机地结合起来,实现数据传送等功能,实现网络中各种资源的共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信。(如:Windows NT 就是一种典型的网络操作系统,网站服务器就可以使用)

分布式操作系统

分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同,任何工作都可以分布在这些计算机上,由它们并行、协同完成这个任务。

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