7.4.1 操作系统的概念
操作系统（Operating System，OS）是计算机系统中最重要的系统软件，协调管理计算机 的软硬件资源，以提高硬件的利用率；是用户与计算机之间的接口，为用户使用计算机提供操 作的平台和环境，以便用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能方便地使用计算 机。如图 7-22 所示，从用户和资源两个方面描述了操作系统所处的地位。
图 7-22 操作系统所处的地位
7.4.2 操作系统的类型 1．批处理操作系统
基本特点是：多道，即允许外存中的多个作业队列进入内存，由 CPU 调度各作业交替运
用户 交互 OS 管理 资源
行；成批，即作业的装入，运行及结果输出等都由系统自动实现，不允许用户干预。
2．分时操作系统
如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量，
那么，推动分时系统形成和发展的主要动力则是用户的需求。或者说，分时系统是为了满足用 户需求所形成的一种新型 OS。它与多道批处理系统之间有着截然不同的性能差别。用户的需 求具体表现在以下几个方面：
（1）人机交互。
（2）共享主机。
（3）便于用户上机。
多个用户对系统的资源进行时间上的分享（如图 7-23 所示），具体实现是将 CPU 的时间 划分成一个一个的时间片，按某种策略分配给各个用户的进程使用，每个用户都似乎独占了 CPU 一样。
图 7-23 分时操作系统模型 其特点是：
多路性：同时响应多个终端的服务请求。
交互性：各终端用户可以通过终端、键盘、鼠标等输入/输出设备与系统交互，控制作业 的运行，得到系统的服务。
独立性：用户各自独立地使用计算机。
及时性：对用户的任务及时接收和处理。
3．实时操作系统
所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统（Real-Time System）是指系统能及时（或即 时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一 致地运行。
其特点是：
及时响应：实时任务必须在指定的时限内响应完成。
交互功能：实时系统仍然要求满足用户的实时交互要求。
高可靠性：实时系统往往用于工业、国防等对实时性要求高的场合，如温度控制、卫星 发射等。因此，系统的高可靠性远比系统性能更重要。
4．网络操作系统
计算机网络是将地理上分布的各数据处理系统或计算机系统互连，实现资源共享、信息 交换和协作完成任务。网络操作系统是管理计算机网络，为用户提供网络资源共享、系统安全
及各种网络应用服务的操作系统。网络操作系统的基本特点是处理上的分布，也就是功能和任 务上的分布以及系统管理的分布。网络对用户是不透明的，用户能感知并选择访问其中某节点 上的资源。
5．分布式操作系统
分布式系统是将地理上分布的各数据处理系统或计算机系统互连，实现资源共享、信息 交换和协作完成任务。分布式系统要求一个统一的操作系统，以实现系统操作的统一性，其基 本特点是处理上的分布，也就是功能和任务上的分布及系统管理的统一。分布式系统对用户是 透明的，用户面对的是一个统一的操作系统，他无法也不必知道系统的内部实现。
7.4.3 操作系统的基本特征
现代操作系统普遍采用多道程序设计技术，所谓多道程序设计技术是为了提高计算机软 硬件资源的利用率，允许在内存中同时安排多个作业（用户软件程序），各个作业共享系统资 源，以并发的方式各自向前推进。由于多道程序共存于内存并且交替执行，有的程序正在计算，
有的程序正在输入输出，于是 CPU 利用率、I/O 设备利用率以及内存利用率都大大提高。
由于多道程序设计技术的引入，使得操作系统具有如下基本特征：
（1）并发性。并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事 件在同一时刻发生；而并发性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，
并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却 仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个 处理机，则这些可以并发执行的程序便可被分配到多个处理机上，实现并行执行，即利用每个 处理机来处理一个可并发执行的程序，这样，多个程序便可同时执行。
（2）共享性。在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行 的进程（线程）共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有 以下两种资源共享方式：
互斥共享：一段时间内只允许一个用户使用的资源，如打印机。
并发访问：一段时间内可以有多个进程同时使用某个资源。
并发与共享是操作系统最基本的两个特征，互为存在条件。
（3）虚拟性。操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干 个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上 的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在 OS 中利用了多种虚拟技术，分别 用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。
（4）异步性。在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的 资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一个处理机，因而每次只允许一个进 程执行，其余进程只能等待。当正在执行的进程提出某种资源要求时，如打印请求，而此时 打印机正在为其他某进程打印，由于打印机属于临界资源，因此正在执行的进程必须等待，
且放弃处理机，直到打印机空闲，并再次把处理机分配给该进程时，该进程方能继续执行。
可见，由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”
的方式运行。
7.4.4 操作系统的功能
由于多道程序设计技术的引入，各并发进程相互合作及相互竞争资源，为了保证系统高 效、有序地运行，从资源管理和用户接口的角度，操作系统的主要功能包括以下几个方面：
（1）处理机管理。如何分配与回收被多道程序所共享的 CPU（实际上就是如何对进程进 行合理调度），以提高 CPU 利用率。
（2）内存管理。一方面，多个程序如何合理分配与回收内存空间，使内存利用率尽可能 高；另一方面，各程序所占的内存空间，必须进行必要的存储保护，以防止作业信息被窃取或 混淆。同时，又要满足合理的共享；必要时，还要利用外存空间进行内存扩充。
（3）I/O 设备管理。各种外部设备的分配、回收以及共享，以提高设备利用率。
（4）文件管理。随着磁介质存储技术的进步，磁带、磁盘等大容量辅助存储设备的使用，
大量用户程序、数据的存储组织、存储保护、共享等一系列问题，构成了操作系统中文件管理 的主要内容。
（5）操作系统的用户接口。用户接口是为方便用户使用计算机资源所建立的用户和计算 机之间的联系。用户接口可分为三个部分：
1）命令接口：命令接口是用户利用操作系统命令组织和控制作业的执行或管理计算机系统。
命令是在命令输入界面上输入，由系统在后台执行，并将结果反映到前台界面或者特定的文件内。
2）程序接口：程序接口由一组系统调用命令组成，这是操作系统提供给编程人员的接口。
用户通过在程序中使用系统调用命令来请求操作系统提供服务。
3）图形接口：图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标来将 系统各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真地表示出来。用户可通过鼠标、菜单和对话 框来完成对应程序和文件的操作。