第 11.4 节 操作系统

操作系统的概念

计算机系统

计算机操作系统是可以按用户的要求接受和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。广义上计算机操作系统包含 机械式系统 和 电子式系统 两种。在电子式系统中，可以分为模拟式和数字式两种计算机系统。

模拟式电子计算机问世较早，内部所使用的电信号模拟自然界的实际信号，因而称为模拟电信号。模拟电子计算机处理问题的精度差；所有的处理过程均需模拟电路来实现，电路结构复杂，抗外界干扰能力极差。

计算机系统包括硬件（子）系统和软件（子）系统。硬件系统是计算机赖以工作的实体。软件系统保证计算机系统按用户指定的要求工作。这两部分构成了计算机系统的资源，因此，计算机系统的资源包括两大类：硬件资源和软件资源。

中央处理器（CPU）、内存储器（又称主存，即内存）、外存储器（磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、U 盘“USB Flash Disk”）、以及各种输入输出设备（键盘、鼠标、打印机、显示器、扫描仪、数位板等）组成了计算机硬件系统；而且各种程序和数据则组成了计算机软件系统。

软件系统（程序、数据）	硬件系统
应用软件：文字处理、图像图形处理、科学计算、视频处理.....	中央处理器（CPU）、内存储器
支撑软件：数据库、网络、多媒体....	外存储器（磁盘、CD、DVD）
系统软件：操作系统、编译程序...	输入输出设备（键盘、鼠标、显示器、扫描仪、麦克风...）

使用计算机系统处理各种问题之前、首先要有用于处理、解决相关问题的程序。这些程序的来源可以是多种多样，例如 自行开发、购买、获取开源软件 等等。

任何一个程序在计算机系统执行前，必须先要得到计算机系统的内存空间之后才能被装入内存。这些程序的执行要依靠中央处理器即（CPU）。程序在执行的过程中需要调用公共服务子程序和共享文件，还要使用各种计算机外设以及计算机内部设备，用以完成信息的输入输出。这里的中央处理器、内存空间、公共服务子程序和共享文件以及计算机外部设备等都是计算机系统中的资源。任何程序的执行都要占用计算机系统的资源。

程序对计算机资源的要求和使用时不同的，不同的用户对计算机资源的请求和使用中可能会发生冲突。例如，当一个用户使用打印机时，另外一个用户也要求使用同一台打印机。那么没有一种方法或规则对用户使用打印机的要求进行管理，肯定会引起混乱。对一台打印机的使用需要进行管理，同样，对计算机系统中的其他资源也要进行管理，进行适当地控制和协调计算机资源分配。

计算机系统中，集中了资源管理功能和而程序执行功能的一种软件，称之为操作系统。

操作系统的定义

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是一些程序模块的集合：它们能有效地组织和管理计算机系统中的硬件以及软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使用户能灵活、方便、高效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行。

从操作系统表现形式来看，操作系统是一个大型软件程序，其中有大量的为实现操作系统各项功能的软件程序，这些软件程序从设计和结构角度看，它们通常都是模块化的。有的操作系统带有内核（kernel)，其内核也是由各程序模块组成。有的操作系统本身是层次化的，每个层次的程序通常也是模块化的。总结起来，操作系统是个大型软件程序，是具有各种功能的、大量程序模块的集合。

操作系统的任务其中之一就是组织和管理计算机系统中的硬件以及软件资源。在操作系统内部，为了掌控整个计算机系统的硬件和软件资源，设计了各种不同类型的表格和数据结构，或者将所有的硬件和软件资源全部加以等级，资源的名称、类型、数量、用途、完好状态及目前使用状态等所有信息。均在有关数据结构中保存，并动态地、实时地不断更新此类数据。记录数据的目的是：让操作系统根据用户对各种资源的需求情况，资源的当前分配和使用情况及有关的资源调度策略，对资源进行有效的组织和管理。

操作系统的特征

并发性

并发行性是指操作计算机系统中同时存在若干个运行的程序，这些程序在同时向前推进。

计算机程序的并发性体现在具体两个方面：用户程序与用户程序之间的并发执行。

在单处理器环境下，这些同时运行着的程序是交替在处理器上运行的。在多处理器系统环境中，多个程序的并发特征，不仅在宏观上是并发的，而且在微观层面上，（即处理器层面）程序也是并发执行的。且在分布式系统中，多个计算机的并存，使得程序的并发特征得到了更加充分的体现，因为在每个计算机上都可以有程序执行，他们共同构造了程序并发执行的景象。

共享性

共享性是指操作系统与多个用户程序共用系统中的各种资源。这种共享性是在操作系统控制下实现的。资源的共享性主要针对计算机如下几项重要资源。

中央处理器。 中央处理器是所有程序都必须使用的重要资源，操作系统必须采用合适的调度策略，对多个并发程序分配处理器资源。

内存储器。 即“内存”，任何一个程序必须首先调入内存之后才能执行。管理内存的公共使用是操作系统的重要功能之一。

外存储器。 外存储器主要用于保存各种程序和数据。这些程序和数据一般以文件的形式存储在外存储器上、外存储器是有各种类型的（如上表格所示）。这些外存储器都是为所有的程序和数据共享的，操作系统同样必须对外存储器的共享进行管理，并且保证在外存储器中所有程序和数据的完整性和正确性。

外部设备。 外部设备是供所有的用户使用的，这些用户包括操作系统、系统用户 （如管理员） 和普通用户。操作系统必须对这些用户对外设的使用要求做出管理，使所有的外部设备能够按照一定的策略被所有用户所共享。

随机性

操作系统运行是一种随机环境下进行的。这种随机环境的含义是，操作系统不能对任何所运行程序的行为及硬件设备情况做出任何事先的假定，一个有可能在任何时候向 CPU 发出中断请求。用户提交的、运行着的程序要做什么事情也无法事先知道。一般来说操作系统正处于什么状态之中是无法确切知道的，但是，随机性并不意味着操作系统不能很好地控制资源的使用及程序的运行，随机性强调了在操作系统的设计与实现要充分考虑任何的可能性。