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
一、操作系统的概念
- 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。
二、操作系统的特征
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
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。
共享
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
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
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。
异步
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。
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
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。
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。
四、操作系统的结构
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。
