操作系统的两大基本特征,操作系统的主要特征和功能

计算机系统自底向上分为四部分：硬件、操作系统（Operating Syetem，OS）、应用程序、用户。操作系统作为应用程序与硬件系统的中介，起着管理硬件，为各类应用程序协调所需运行资源的作用，达到合理分配硬件资源，调度应用软件作业，让计算机系统更好的为用户服务的目的。

1.并发（Concurrence）

多个时间在同一时间间隔内发生，即在计算机系统中，可以处理和调度多个程序同时执行的能力，引入进程的目的是使程序能够并发执行。

注意：并发和并行的区别，并发是在同一时间间隔内，宏观上多个程序是同时执行的，而在微观上，每个时刻上，仅执行一个程序，多个程序分时执行；并行（Parallel）是在宏观上与微观上不同程序（线程）是同时执行的，需要硬件支持，多处理器或多线程。

2.共享（Sharing）

系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

（1）互斥共享方式：一段时间内只允许一个进程访问该资源，保证程序运行结果的正确性，比如打印机、磁带机。采用这类共享方式的资源称为临界资源或独占资源，用前申请，闲置分配，不闲置等待。

（2）同时访问方式：在同一时间段内，允许多个进程宏观上同时访问某个资源，但在微观上，在某个时刻上，资源是被单独地访问的，这个资源对各个进程来说是分时共享的。

注意：并发和共享是操作系统的两个最基本特征，两者互为存在的条件：（1）共享是以程序并发为条件的；（2）资源共享又是并发的前提

3.虚拟（Virtual）

把物理实体变成逻辑上的对应物，例如虚拟处理器、内存或外部设备。虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，分时使用处理器，同时为多个用户服务，让用户以为他独占处理器。虚拟存储技术是将物理存储器变成虚拟存储器，在逻辑上扩充容量。或将一台物理I/O设备，逻辑虚拟出多台逻辑I/O设备，同时为多个用户提供服务。

虚拟式技术分为：时分复用技术，CPU分时共享；空分复用技术，虚拟存储器。

4.异步（Asynchronism）

多个程序并发执行时，由于资源的限制，进程是断断续续执行完毕的。所以内存中的每个进程执行、暂停时间都是不可预知的，但操作系统可保证运行结果相同。

1.操作系统的功能（计算机系统资源的管理者）

（1）处理机管理：

实际上是进程管理，包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度，利用上述功能来决定何时创建、撤销进程，如何管理避免进程之间资源利用的冲突，如何以最合理的方式分享系统资源。

（2）存储器管理：

目的是提高内存利用率及方便用户使用内存，包括分配与回收、地址映射、内存保护、内存扩充等。

（3）文件管理：

包括文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。

（4）设备管理：

主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备利用率，包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备等。

2.操作系统为用户和硬件之间的接口

（1）命令接口：

按作业方式分为联机命令接口和脱机命令接口

联机命令接口（交互式命令接口）：用于分时或实时操作系统，由一组键盘命令组成，用户通过控制台或终端输入命令，命令解释程序解释并执行命令，完成用户请求的功能，如此往复。

脱机命令接口（批处理命令接口）：用于批处理系统，由一组作业控制命令组成，这一组命令一旦发出，用户不能直接干预作业的运行，而事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书，连同作业一同提交给系统，命令解释程序解释并执行命令，用户可以间接的控制作业运行。

（2）程序接口

由一组系统调用（广义指令）组成。用户通过在程序中使用系统调用来请求服务。

当前最流行的是图形用户界面（GUI），GUI最终是通过调用程序接口实现的，用户图形界面不是操作系统的一部分，但其所调用的系统调用命令是操作系统的一部分。

3.操作系统用作扩充机器

操作系统提供的资源管理功能和服务功能将裸机改造成功能更强，使用更方便的机器，因此把覆盖了软件的机器成为扩充机器或虚拟机。

所有工作需要人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等，此阶段有两个突出的缺点，用户独占先机，资源利用率低；CPU等待手工操作，导致其利用不充分。

1.单道批处理系统

系统成批处理系统时，但内存中只保持一道作业，主要特征：

自动性：能自动地逐个运行，无需人工干预

顺序性：顺序地进入内存，处理完成顺序与进入内存的顺序完全一致

单道性：内存中仅存一道程序运行，此程序运行完毕，加载另一道程序

依据其作业方式和特性，单道批处理的问题是运行时，高速的CPU经常等待低速的I/O，导致CPU在许多时候处于闲置状态，资源不能得到高效的利用，需要引入多道程序技术。

2.多道批处理系统

允许多个程序同时进入内存并在CPU上交替运行，这些程序共享系统中的资源，使系统运行效率翻倍。它的特点是多道，宏观上并行、微观上串行。

多道程序设计技术的实现需要解决下列问题：

如何分配处理器；多道程序的内存分配问题；I/O设备如何分配；如何组织和存放大量的程序和数据，方便用户使用并保证其安全性与一致性

多道批处理系统的优点：资源利用率高；系统吞吐量大。缺点：用户响应的时间较长；不提供人机交互能力，程序的运行对于用户来说是一个黑盒。

把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分给各联机作业使用，若一个时间片不够用，会等待下一轮，继续将时间片分配给该程序使用，给每个用户的感觉是用户在独占整个计算机。

分时操作系统运行时，多个用户可以同时与主机进行交互操作，它也支持多道程序设计，但不同于多道批处理系统，多道批处理系统是作业自动控制而无需人工干预，分时系统可以实现人机交互，其主要特征如下：

同时性（多路性）：多个用户同时使用一台计算机，实现多个用户的同时操作；

交互性：用户直接控制程序的运行，同程序进行交互；

独立性：多个用户同时彼此独立的对计算机进行操作；

及时性：用户请求在很短的时间内得到响应。

分成两类，硬实时系统：在规定的时间范围内或时刻，某个任务必须执行完毕，如飞行器控制系统；软实时系统，保证让某个任务在规定的时间内完成，但偶尔未按时完成，后果也可接受，如飞机订票系统、银行管理系统。

其特点是及时性与可靠性。

1.网络操作系统：把网络中各台计算机有机结合起来，提供统一、有效的资源调度与任务管理，实现不同计算机之间数据的传输。特点是资源的共享和计算机之间的通信。

2.分布式计算机系统：满足由多台计算机组成，任意两台计算机可以交换信息，地位同等，资源为所有用户共享，任意台计算机都可构成一个子系统且能重构，任务可在多台计算机中并行执行。特点是分布性和并行性。

两者本质不同：分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。

主要有Windows、Linux、Unix、Macintosh，嵌入式操作系统、服务器操作系统、智能手机操作系统（IOS/Android）。

操作系统发展历程

CPU执行系统内核程序和应用程序，前者管理后者，因此内核程序可以执行特权指令。特权指令是不允许用户直接调用的指令，比如I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令。在具体实现上，CPU状态分为两个状态，一个是用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态），内核程序与应用程序分别在CPU处于核心态和用户态时运行。

操作系统的各项功能分别被设置在不同层次上，与硬件关联紧密的模块，如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层；在其之上是运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理和设备管理等；这两部分构成了系统内核，工作在核心态。

内核包括4方面的内容：

1.时钟管理：时钟是最关键的设备，第一个功能是计时，提供标准的系统时间，第二个功能是通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。

2.中断机制：中断机制的目标是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，是操作系统各项操作的基础，在中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。

3.原语：原语的特点是处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分；有原子性，只能一次干完；运行时间短，且调用频繁。定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。

4.系统控制地数据结构及处理

系统中登记状态信息地数据结构有：作业控制块、进程控制块（PCB）、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等。

系统基本操作有三种：进程管理，进程状态管理、进程调度和分配、创建与撤销进程控制块等；存储器管理，存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序；设备管理，缓冲区管理、设备分配与回收等。

核心态和用户态进行切换时，通过中断和异常完成，实现方式：可以用一个特殊寄存器的一位来表示CPU所处的状态，0表示核心态，1表示用户态。引入中断和异常，就是为了更大地提高资源的利用率。

1.中断（Interruption）的定义：也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生，如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，希望处理机向设备发出下一个输入/输出请求，同时让输入/输出的程序继续运行；再如时钟中断，表示固定时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。这一类中断通常是与当前指令执行无关的事件。

2.异常（Exception）也称内中断、例外或陷入（trap），指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算数溢出、虚拟系统的缺页和专门的陷入指令等引起的事件。对异常处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现立刻处理。

中断和异常的联系与区别：

中断和异常的联系与区别

3.中断处理的过程

1）关中断：CPU响应中断之后，首先要保护程序的现场状态，在保护现场的过程中，CPU不应响应更高级中断源的中断请求。否则，若现场保护不完整，在中断服务程序结束后，也就不能正确地恢复并继续执行现行程序。

2）保存断点：为保证中断服务程序执行完毕之后能正确地返回到原来地程序，必须将原来地程序的断点（程序计数器PC）保存起来。

3）引出中断执行服务程序：实质是取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC。

4）保存现场和屏蔽字：进入中断服务程序之后，首先要保存现场，现场信息一般指程序状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容。

5）开中断：允许更高级中断请求得到响应。

6）执行中断服务程序：中断请求的目的。

7）关中断：保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断。

8）恢复现场和屏蔽字：将现场和屏蔽字恢复到原来的状态。

9）开中断、中断返回：中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。

其中1）——3）是在CPU进入中断周期后，由硬件自动（中断隐指令）完成的；4）——9）由中断服务程序完成。恢复现场是指在中断返回前，必须将寄存器的内容恢复到中断处理前的状态，这部分由中断服务程序完成。中断返回由中断服务程序的最后一条中断返回指令完成。

中断处理的流程如下图：

中断处理流程

指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序。系统中的共享资源由操作系统统一掌握分配，在应用程序中，与资源有关的操作，须通过系统调用的方式向操作系统提出请求。一般一个操作系统提供的系统调用命令有几十条甚至上百条。

系统调用分为：

设备管理：完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能；

文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能；

进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能；

进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递等功能；

内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及起始地址等功能。

完成系统调用必须使用特权指令，所以系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态。应用程序可以执行陷入指令（又称访管指令或trap指令）来发起系统调用，请求操作系统提供服务。

操作系统的运行环境可以理解为：用户通过操作系统运行上层程序（如系统提供的命令解释程序或用户自编程程序），上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序；也可能是程序运行出现异常情况，被动地需要管理程序地服务，通过异常进入核心态。管理程序运行结束时，应用程序继续进行。整个过程如下图所示：

内核态与用户态转换图

用户态转向核心态地举例：

1）应用程序要求操作系统地服务，即系统调用；

2）发生中断；

3）应用程序中产生一个错误状态；

4）用户程序中企图执行一条特权指令；

5）从核心态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权命令，一般是中断返回指令。

状态切换的过程中，相应的堆栈也需转换；在此过程中，会用到访管指令，此指令是在用户态使用地，它不是特权指令。

核心态为应用程序提供公共服务，但应提供什么具体服务？或怎样提供服务？有两种体系结构回答上述问题：大内核和微内核。

大内核：将操作系统的主要功能模块作为一个紧密联系的整体运行在核心态，提供高性能的系统服务。各模块之间高度信息共享，有非常高的性能。

但随着需求的不断增长，需要操作系统提供的服务越来越多，大内核体系不能满足需求，所以，设计人员尝试通过按照复杂性、时间常数、抽象级别等因素，将操作系统分成若干个层次，定义层次之间的服务结构，提高操作系统内核的模块化。但出现了层次之间关系复杂，接口定义模糊的问题。

为解决上述问题，提出微内核的体系结构：内核中最基本的功能保留在内核，不需要再核心态的功能移动到用户态，降低内核设计的复杂性。被移出内核的操作系统代码根据分层原则被划分为若干服务程序，相互独立执行，借助微内核进行通信。

微内核结构有效的分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口越来越清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进。

但微内核也会因为进行频繁地核心态与用户态地切换，导致性能地损失，但体系更改提升地性能，足以抵消因为切换产生的性能的降低。