1.1.2操作系统的特征

1.1.2操作系统的特征

    操作系统是一种系统软件，但与其他系统软件和应用软件有很大的不同，它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，将一直贯穿于各个章节中。

　　1. 并发(Concurrence)

　　并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，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，引入进程的目的是使程序能并发执行。

　　注意同一时间间隔(并发)和同一时刻(并行)的区别。在多道程序环境下，一段时间内， 宏观上有多道程序在同时执行，而在每个时刻，单处理机环境下实际仅能有一道程序执行，因此微观上这些程序仍是分时交替执行的。操作系统的并发性是通过分时得以实现的。

　　注意，并行性是指系统具有同时进行运算或操作的特性，在同一时刻能完成两种或两种以上 的工作。并行性需要有相关硬件的支持，如多流水线或多处理机硬件环境。

　　我们以现实生活中的直观例子来认识并发和并行的区别。例如，如果你在9:00-9:10仅吃面 包，在9:10〜9:20仅写字,在9:20〜9:30仅吃面包,在9:30-10:00仅写字，那么在9:00〜10:00 吃面包和写字这两种行为就是并发执行的;再如，如果你在9:00〜10:00右手写字，左手同时拿 着面包吃，那么这两个动作就是并行执行的。

　　2. 共享(Sharing)

　　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，虽然可供多个进程使用，但为使得所打印或记录的 结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。

　　为此，当进程A访问某个资源时，必须先提出请求，若此时该资源空闲，则系统便将之分配 给进程A使用，此后有其他进程也要访问该资源时(只要A未用完)就必须等待。仅当进程A 访问完并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互 斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源。计算机系统中的大多数物理设备及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们都要求被互斥地共享。

　　(2) 同时访问方式

　　系统中还有另一类资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里所说的 “同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享” 的。可供多个进程“同时”访问的典型资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可被“同时” 共享，即允许若干个用户同时访问该文件。

　　注意，互斥共享要求一种资源在一段时间内(哪怕是一段很小的时间)只能满足一个请求， 否则就会出现严重的问题，(你能想象打印机第一行打印A文档的内容、第二行打印B文档的内 容的效果吗?)而同时访问共享通常要求一个请求分几个时间片段间隔地完成，其效果与连续完成的效果相同。

　　并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件：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问题;②若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

　　3. 虚拟(Virtual)

　　虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑虚拟的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际 存在的;而后者是虚的，是用户感觉上的事物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。

　　虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，釆用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。此时，虽然只有一个处理器，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都感觉 有一个中央处理器(CPU)在专门为它服务。利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为 多个逻辑上的CPU,称为虚拟处理器。

　　类似地，可以采用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，以便从逻辑上扩充存储器的容量。当然，这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户感觉到(但实际不存在)的存储器称为虚拟存储器。

　　还可采用虚拟设备技术将一台物理 I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源) 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，如处理器的分时共享;空分复用技术, 如虚拟存储器。

　　4. 异步(Asynchronism)

　　多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而 是走走停停的，它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，可能导致进程产生与时间有关的错误(就像 对全局变量的访问顺序不当会导致程序出错一样)。然而，只要运行环境相同，操作系统就须保 证多次运行进程后都能获得相同的结果。