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　　第一章 操作系統概述

　　隨著計算機的發展，計算機系統的硬件和軟件資源越來越豐富。為了提高這些資源的利用率和增強系統的處理能力，出現了相應的操作管理程序，作為用戶與計算機之間的接口。操作系統(Operating System，OS)是計算機系統中最重要、最基本的系統軟件，位于硬件和用戶之間。一方面，它能向用戶提供接口，方便用戶使用計算機;另一方面，它能管理計算機軟、硬件資源，以便合理充分地利用它們。根據考試大綱要求，本章要求考生掌握以下知識點：

　　(1)操作系統的概念、特征、功能和提供的服務;

　　(2)操作系統的發展與分類;

　　(3)操作系統的運行環境。

　　1.1 操作系統的基本概念

　　操作系統的出現、使用和發展是近四十余年來計算機軟件的一個重大進步，它的出現為人們使用各種各樣的計算機奠定了重要基礎。

　　1.1.1 操作系統概念

　　計算機發展到今天，從個人機到巨型機，無一例外都配置一種或多種操作系統，操作系統已經成為現代計算機系統不可分割的重要組成部分，它為人們建立各種各樣的應用環境奠定了重要基礎。計算機系統包括硬件和軟件兩個組成部分。硬件是所有軟件運行的物質基礎，軟件能充分發揮硬件潛能和擴充硬件功能，完成各種系統及應用任務，兩者互相促進、相輔相成、缺一不可。圖1-1給出了一個計算機系統的軟、硬件層次結構。

　　硬件層提供了基本的可計算性資源，包括處理器、寄存器、存儲器，以及各種I/O設施和設備，是操作系統和上層軟件賴以工作的基礎。操作系統層通常是最靠近硬件的軟件層，對計算機硬件作首次擴充和改造，主要完成資源的調度和分配、信息的存取和保護、并發活動的協調和控制等許多工作。操作系統是上層其他軟件運行的基礎，為編譯程序和數據庫管理系統等系統程序的設計者提供了有力支撐。系統程序層的工作基礎建立在操作系統改造和擴充過的機器上，利用操作系統提供的擴展指令集，可以較為容易地實現各種各樣的語言處理程序、數據庫管理系統和其他系統程序。此外，還提供種類繁多的實用程序，如連接裝配程序、庫管理程序、診斷排錯程序、分類/合并程序等供用戶使用。應用程序層解決用戶特定的或不同應用需要的問題，應用程序開發者借助于程序設計語言來表達應用問題，開發各種應用程序，既快捷又方便。而最終用戶則通過應用程序與計算機系統交互來解決他的應用問題。

圖1-1 計算機系統的軟、硬件層次結構

　　計算機系統由硬件、軟件和數據組成。在計算機系統的運行中，操作系統提供了利用這些資源的合理途徑。操作系統與政府十分相似。像一個政府，其本身并不能做什么。操作系統僅僅提供了一個環境，其他程序可以在此做有用的工作。我們可以從兩個視角來研究操作系統：資源視角和用戶視角。

　　從資源管理的角度來看，操作系統是計算機系統中的資源管理器，負責對系統的硬、軟件資源實施有效的控制和管理，提高系統資源的利用率。

　　從方便用戶使用的角度看，操作系統是一臺虛擬機，是對計算機硬件的首次擴充，隱藏了硬件操作細節，使用戶與硬件細節隔離，從而方便用戶使用。

　　盡管操作系統尚未有一個嚴格的定義，但一般認為：

　　操作系統是控制和管理計算機軟、硬件資源，以盡量合理有效的方法組織多個用戶共享多種資源的程序集合。

　　1.1.2 操作系統特征

　　一般操作系統具有以下4個基本特征。

　　1.并發性

　　并發性(Concurrence)是指兩個或兩個以上的事件或活動在同一時間間隔內發生。系統內部具有并發機制，能協調多個終端用戶同時使用計算機和資源，能控制多道程序同時運行。

　　在多處理器系統中，程序的并發性不僅體現在宏觀上，而且體現在微觀上(即在多個CPU 上)也是并發的，又稱并行的。并行性(Parallelism)是指兩個或兩個以上事件或活動在同一時刻發生。在多道程序環境下，并行性使多個程序同一時刻可在不同的CPU上同時執行。而在分布式系統中，多臺計算機的并存使程序的并發性得到了更充分的發揮。但在單處理機系統中，每一個時刻CPU僅能執行一道程序，故微觀上這些程序是在交替運行的。

　　可見并行性是并發性的特例，而并發性是并行性的擴展。

　　2.共享性

　　共享性是操作系統的另一個重要特性。共享是指操作系統中的資源(包括硬件資源和軟件資源)可被多個并發執行的進程共同使用，而不是被一個進程所獨占。共享的方式可以分成兩種：

　　第一種是互斥訪問。系統中的某些資源如打印機、磁帶機、卡片機，雖然它們可提供給多個進程使用，但在同一時間內卻只允許一個進程訪問這些資源，即要求互相排斥地使用這些資源。當一個進程還在使用該資源時，其他欲訪問該資源的進程必須等待，僅當該進程訪問完畢并釋放資源后，才允許另一進程對該資源訪問;

　　第二種是同時訪問。系統中還有許多資源，允許同一時間內多個進程對它們進行訪問，這里“同時”是宏觀上的說法。典型的可供多進程同時訪問的資源是磁盤，可重入程序也可被同時訪問。

　　與共享性有關的問題是資源分配、信息保護、存取控制等，必須要妥善解決好這些問題。

　　并發性和共享性相輔相成，是操作系統的兩個最基本的特征，兩者之間互為存在條件。一方面，資源的共享是以程序的并發執行為條件的，若系統不允許程序的并發執行，自然不存在資源共享問題;另一方面，若系統不能對資源共享實施有效的管理，也必然影響到程序的并發執行，甚至根本無法并發執行。

　　3.虛擬性

　　虛擬性是指操作系統中的一種管理技術，它把一個物理上的實體映射為若干個邏輯上的對應物。前者是實際存在的，后者是虛幻的，只是用戶的一種感覺。采用虛擬技術的目的是為用戶提供易于使用、方便高效的操作環境。例如，Spooling技術可把物理上的一臺獨占設備變成邏輯上的多臺虛擬設備;窗口技術可把一個物理屏幕變成邏輯上的多個虛擬屏幕;IBM的VM技術把物理上的一臺計算機變成邏輯上的多臺計算機。虛擬存儲器則是把物理上的多個存儲器(主存和輔存)變成邏輯上的一個存儲器(虛存)。

　　4.不確定性

　　在操作系統中，由于運行環境的影響，程序的運行時間、運行順序及同一程序或數據的多次運行結果等均具有不確定性。不確定性有兩種含義：程序執行結果是不確定的，即對同一程序，使用相同的輸入，在相同的環境下運行，卻可能獲得完全不同的結果，即程序是不可再現的。多道程序環境下，程序的執行是以異步方式進行的。換言之，每個程序在何時執行、多個程序間的執行順序，以及完成每道程序所需的時間都是不確定的，因而也是不可預知的。例如，作業到達系統的類型和時間是不確定的;操作員發出命令或按按鈕的時刻是不確定的;程序運行發生錯誤或異常的時刻是不確定的;各種各樣硬件和軟件中斷事件發生的時刻是不確定的，等等。