操作系统的概念、特征、功能和结构
操作系统的概念、特征、功能和结构
在信息化时代，软件被称为计算机系统的灵魂。⽽作为软件核⼼的操作系统，已经与现代计算机系统密不可分、融为⼀体。计算机系统⾃下⽽上可粗分为四个部分：硬件、操作系统、应⽤程序和⽤户。操作系统管理各种计算机硬件，为应⽤程序提供基础，并充当计算机硬件和⽤户的中介。
硬件，如中央处理器、内存、输⼊输出设备等，提供了基本的计算资源。应⽤程序，如字处理程序、电⼦制表软件、编译器、⽹络浏览器等，规定了按何种⽅式使⽤这些资源来解决⽤户的计算问题。操作系统控制和协调各⽤户的应⽤程序对硬件的使⽤。
综上所述，操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的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集合。计算机操作系统是随着计算机研究和应⽤的发展逐步形成并发展起来的，它是计算机系统中最基本的系统软件。
  操作系统是⼀种系统软件，但与其他的系统软件和应⽤软件有很⼤的不同，他有⾃⼰的特殊性即基本特征，操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。这些概念对理解和掌握操作系统的核⼼⾄关重要，将⼀直贯穿于各章节中。
  并发是指两个或多个事件在同⼀时间间隔内发⽣，在多道程序环境下，⼀段时间内宏观上有多个程序在同时执⾏，⽽在同⼀时刻，单处理器环境下实际上只有⼀个程序在执⾏，故微观上这些程序还是在分时的交替进⾏。操作系统的并发是通过分时得以实现的。操作系统的并
发性是指计算机系统中同时存在多个运⾏着的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执⾏的能⼒。在操作系统中，引⼊进程的⽬的实施程序能并发执⾏。
  资源共享即共享，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。共享可以分为以下两种资源共享⽅式。
1）互斥共享⽅式
  系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然他们可以提供给多个进程使⽤，但为使所打印的内容不致造成混淆，应规定在同⼀段时间内只允许⼀个进程⽅位该资源。
  为此，当进程a访问某资源时，必须先提出请求，如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给进程a使⽤，伺候若再有其他进程也要访问该资源（只要a未⽤完）则必须等待。仅当进程a访问完并释放该资源后，才允许另⼀进城对该资源进⾏访问。计算机系统中的⼤所属物理设
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备，以及某些软件中所⽤的栈、变量和表格，都属于临界资源，他们都要求被互斥的共享。
2）同时访问⽅式
  系统中还有⼀种资源，允许在⼀段时间内由多个进程“同时”对它进⾏访问。这⾥所谓的“同时”往往是宏观上的，⽽在微观上，这些进程可能是交替的对该资源进⾏访问即“分时共享”。典型的可供多个进程同时访问的资源是磁盘设备，⼀些⽤重⼊码编写的⽂件也可以被“同时”共享，即若⼲个⽤户同时访问该⽂件。
  并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间⼜是互为存在条件的：1资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执⾏，则⾃然不存在资源共享的问题；2若系统不能对资源共享实施有效地管理，也必将影响到程序的并发执⾏，甚⾄根本⽆法并发执⾏。
  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。物理实体是实的，即实际存在的；⽽后者是虚的，是⽤户感觉上的事物。相应的，⽤于实现虚拟的技术，成为虚拟技术。在操作系统中利⽤了多种虚拟技术，分别⽤来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备。在虚拟处理器技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执⾏的⽅法，来分时使
⽤⼀台处理器的。此时，虽然只有⼀台处理器，但他能同时为多个⽤户服务，是每个终端⽤户都认为是有⼀个中央处理器在为他服务。利⽤多道程序设计技术，把⼀台物理上的CPU虚拟为多台逻辑上的CPU，称为虚拟处理器。
  类似的，可以通过虚拟存储器技术，将⼀台机器的物理存储器变为虚拟存储器，⼀边从逻辑上来扩充存储器的容量。当然，这是⽤户所感觉到的内存容量是虚的，我们把⽤户所发哦绝倒的存储器程序虚拟存储器。
  还可以通过虚拟设备技术，将⼀台物理IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每个⽤户占⽤⼀台逻辑上的IO设备，这样便可使原来仅允许在⼀段时间内有⼀个⽤户访问的设备，变为在⼀段时间内允许多个⽤户同时访问的共享设备。因此操作系统的虚拟技术可归纳为：时分复⽤技术和空分复⽤技术。
  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，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。
  异步性使得操作系统运⾏在⼀种随机的环境下，可能导致进程产⽣于时间有关的错误。但是只要运⾏环境相同，操作系统必须保证多次运⾏进程，都获得相同的结果。
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三、操作系统的⽬标和功能
  为了给多道程序提供良好的运⾏环境，操作系统应具有⼏⽅⾯的功能：处理器管理、存储器管理、设备管理和⽂件管理。为了⽅便⽤户使⽤操作系统，还必须向⽤户提供接⼝。同时操作系统可⽤来扩充机器，以提供更⽅便的服务、更⾼的资源利⽤率。
操作系统作为计算机系统资源的管理者
1）处理器管理
  在多道程序环境下，处理器的分配和运⾏都是以进程为基本单位，因⽽对处理器的管理可归结为对进程的管理。进程管理的主要功能有：进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理器调度等。
2）存储器管理
  存储器管理的主要任务是位多通道程序的运⾏提供良好的环境，⽅便⽤户使⽤以及提⾼内存的利⽤率。因此，存储器管理应具备：内存分配、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等。
3）⽂件管理
  ⽂件管理主要包括⽂件的存储空间管理、⽬录管理及⽂件读写管理及保护等。
4）设备管理
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泉州景点  设备管理的主要任务就是完成⽤户的IO请求，⽅便⽤户使⽤各种设备，并提⾼设备的利⽤率，主要包括混充管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。
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操作系统作为⽤户与计算机硬件系统之间的接⼝
  为⽅便⽤户使⽤操作系统，操作系统还提供了⽤户接⼝。操作系统提供的接⼝主要分为两类：⼀类是命令接⼝，⽤户利⽤这些操作命令来组织和控制作业的执⾏；另⼀类是程序接⼝，编程⼈员可以使⽤它们来请求操作系统服务。
1）命令接⼝
  使⽤命令接⼝进⾏作业控制的主要⽅式有两种：按作业控制⽅式的不同，可以将命令接⼝分为联机命令接⼝和脱机命令接⼝。
2）程序接⼝
  程序接⼝由⼀组系统调⽤命令组成。⽤户通过在程序中使⽤这些系统调⽤命令拉i请求操作系统提供的服务。⽤户在程序中可以直接使⽤这组系统调⽤命令向系统提出各种服务请求，如使⽤各种外部设备，进⾏有关磁盘⽂件的操作，申请分配和收回内存以及其他各种控制要求。
  所谓系统调⽤就是⽤户在程序中调⽤操作系统所提供的⼀些⼦功能。具体的讲，系统调⽤就是通过系统调⽤命令中断现⾏程序，⽽转去执⾏响应的⼦程序，以完成特定的系统功能；系统调⽤完成后，返回程序的断点以继续执⾏。系统调⽤命令是作为扩充机器命令提供的，⽬的是增强系统功能，⽅便⽤户使⽤。⽽起通过系统调⽤的⽅式来使⽤系统功能，可以保证系
统的稳定性和安全性，防⽌⽤户随意更改或访问系统的数据或命令。因此，在⼀些计算机系统中，把系统调⽤命令成为⼴义指令。⼴义指令与机器指令在性质上是不同的，机器指令使⽤硬件电路直接实现的，⽽⼴义命令则是由操作系统提供的⼀个或多个⼦程序模块实现的。显然，系统调⽤属于核⼼态指令。没有任何软件⽀持的计算机成为裸机，它仅构成计算机系统的物质基础，⽽实际呈现在⽤户⾯前的计算机系统是经过若⼲层软件改造的计算机。裸机在最⾥层，他的外⾯是操作系统，有操作系统提供的资源管理功能和⽅便⽤户的各种服务功能，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。lol童话
  像现在操作系统这样庞⼤⽽复杂的系统，为了能正常⼯作且容易修改和维护，在实现前必须认真设计操作系统的结构。操作系统发展⾄今，其设计结构可以分成以下⼏类：简单结构、模块化结构、分层式结构、微内核结构。