1.1_2 操作系统的特征

操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步。

其中：并发和共享是两个最基本的特征，且二者互为存在条件。

（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。并发不要求微观上的同时，只需从宏观上看多个程序都在向前推进。

易混淆概念：并行

  指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

  并行要求的是微观上的同时发生，即在绝对的同一时刻有多个程序同时向前推进。

举例：

  如7:00-7:10运行了QQ音乐，7:10-7:20运行了QQ聊天。那么，在7:00-7:20之间，听歌与聊天就叫做并发。

  操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。操作系统，就是为了支持多道程序的并发运行而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。并发性也是操作系统的最基本特征。

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。

举例：

  一个4核CPU，意味着可以并行地执行4个程序。

  当前：QQ、微信、Word、浏览器——4个程序并行执行。

  此时，若打开QQ音乐，则当前必须换下一个程序，如Word，之后才能让QQ音乐上CPU执行。

  Word与QQ音乐此时并发地交替上CPU运行。

  因此，即使现代有了多核CPU，可以支持多个程序并行运行，并发性依然是必不可少的。并发性是操作系统的一个最基本的特性。

（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。

两种资源共享方式：

• 互斥共享方式
• 同时共享方式

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。

  ※ 注：所谓的“同时”，指的是宏观上的同时。而微观上，这些进程，可能是交替地对该资源进行访问的。（即分时共享）（类似于“并发”的意思）也可能的确是同时在对该资源进行访问。（真正的同时，类似于“并行”）

举例

  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。

    也可能从微观上也是同时。例如，在玩游戏的同时听音乐。“扬声器”这一设备既播放游戏音效、又播放音乐，那么即使从微观上来看，它也是被游戏进程和音乐播放器进程同时使用的。

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。

举例

  使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。那么：

  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）

  分析：

    如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，也就意味着不存在“两个进程需要同时共享某资源”的情形了，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”这件事，那么QQ和微信也就无法并发地执行了。

    可见，如果失去了并发性，那么共享性就失去了存在的意义。而如果失去了共享性，那么并发性就不可能被实现。所以，并发性和共享性，二者互为存在条件。

（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。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。

举例1

  一个程序需要放入内存并分配CPU才能执行。

  此外，GTA5需要4GB的运行内存、QQ需要256MB的运行内存、迅雷需要256MB的运行内存、网易云音乐需要256MB的运行内存……

  而我的电脑，只有4GB的内存。

  问题：这些程序为什么还可以在我的电脑上同时运行？

  答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存（物理实体），但在用户看来是远远大于4GB的（逻辑上的对应物）。

  实际上，这是虚拟技术中的”空分复用技术“。（在第三章中会详细讲解。）

举例2

  某单核CPU的计算机中，用户同时打开了：QQ、浏览器、QQ音乐、迅雷……

  问题：既然一个程序需要被分配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（物理实体），但在用户看来似乎有多个CPU在同时为自己服务（逻辑上的对应物）。

  实际上，这是虚拟技术中的“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。

并发和虚拟的关系

• 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。

  由于计算机系统具有并发性，可以使多个程序在同一时间段内并发执行（宏观上同时，微观上交替），因此，有限的系统资源可能被多个并发运行的程序争抢着使用（例如打印机资源）。而正因为系统中的资源是有限的，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的（因为要等待别的进程使用完这个资源），以不可预知的速度向前推进（可能是A进行停下来等待B进程，也有可能是B进程停下来等待A进程）。

  分析：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是一贯到底的。因此，只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

总结

1）理解并发和并行的区别。

2）并发和共享，互为存在条件。

3）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。