1.1 操作系统概念

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、最接近系统硬件的系统软件。

换言之，操作系统可以理解为：

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

直观的例子：打开 Windows 操作系统的“任务管理器”（快捷键：Ctrl+Alt+Del）

1.2 操作系统功能

提出问题：由图形可以看出：

①操作系统硬件和软件中介层，即作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？

用QQ和朋友视频聊天的过程：
Step1：在各个文件夹中找到QQ安装的位置（如D:/Tencent/QQ/Bin）------文件管理
Step2：双击打开QQ.exe ------ 将程序相关的数据放入内存，存储器管理
Step3：QQ程序正常运行 ------ 对应的进程被处理机（CPU）处理，处理机管理
Step4：开始和朋友视频聊天 ------ 需要将摄像头设备分配给进程，设备管理

②操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？

• 命令接口：允许用户直接使用
• 程序接口：允许用户通过程序间接使用，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。
• GUl：现代操作系统中最流行的图形用户接口
  

③操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？
需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展
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

总结，操作系统概念和功能：

1.3 操作系统四大特征

并发、共享、虚拟、异步
其中并发和共享是最为基本的特征，二者互为存在条件

1.3.1 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。
区别于并行：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：

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
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最基本的特性

1.3.2 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。

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。

1.3.3 并发性和共享区别及对应关系：

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。

通过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

所以： 并发性与共享性互为存在的条件！

1.3.4 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。

一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行 ，假设我们电脑4G内存、单核CPU，很多程序同时运行需要的内存远大于4GB，假设打开了6个应用软件，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？
答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有 6个CPU在同时为自己服务。

虚拟技术中的“空分复用技术”和“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

时分复用技术通过处理机的空闲时间运行其他程序，提高了处理机的利用率
空分复用技术利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此提高内存的利用率。

1.3.5 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，而是走走停停的，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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

1.4 操作系统的发展与分类

各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点

1.4.1 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

1.4.2 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

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。

1.4.3 批处理阶段——多道批处理系统

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）

1.4.4 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。

1.4.5 实时操作系统

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，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。
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

1.4.6 其他几种操作系统

1. 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：WindowsNT就是 一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

2. 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。

3. 个人计算机操作系统：如WindowsXP、MacOS，方便个人使用。

1.4.7 操作系统分类小结