操作系統的基本特性——并發、共享、虛擬、異步

前言：操作系統（Operating System，OS）是配置在計算機硬件上的第一層軟件，是對硬件系統的首次擴充。主要作用是管理好這些設備，提高它們的利用率和吞吐量，并為用戶和應用程序提供一個簡單的接口，便于用戶使用。OS是現代計算機系統中最基本和最重要的系統軟件，而其它的如編程程序，數據庫管理系統等系統軟件，以及大量的應用軟件，都直接依賴于操作系統的支持，取得它所提供的服務。
軟件的分類：

操作系統在計算機系統的層次結構：

一、并發

① 并發性與并行性的區別：
并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生；并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生。在多道程序環境下，并發性是指在一段時間內宏觀上有多個程序同時運行，但在單處理機系統中，每一時刻只能由一道程序執行，所以微觀上程序是分時地交替執行的。

例如，在一秒鐘內，0-15ms程序A運行； 15-30ms程序B運行；30-45ms程序C執行；45-60ms程序D運行。因此可以說，在一秒鐘的時間間隔內，宏觀上有四到程序在同時運行，但是在微觀上，程序A、B、C、D是分時地交替執行的。

②引入進程實現并發
進程：是指在系統中能獨立運行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機器指令、數據和堆棧組成的，是一個能獨立運行的活動實體。在一個未引入進程的系統中，屬于同一個應用程序的計算程序和I/O程序之間只能是順序執行，并且當其中一個程序執行時，另一個程序不能執行。如果為兩個進程分別建立一個進程（Process），這兩個進程便可以并發執行了。實行這種方式，極大的提高了系統資源的利用率，增加了系統的吞吐量。多個進程之間可以并發執行和交換信息。

二、共享

OS環境下的共享，即資源共享或資源復用，是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。系統必須對資源進行妥善的管理，如果管理不當，就有可能造成資源競爭，進程陷入無限等待的局面。由于資源的屬性不同，進程對資源的復用方式也不同，目前主要實現資源共享的方式有兩種：
①互斥共享方式
系統中的某些資源，雖然能夠提供給多個進程使用，但是規定在一段時間內，只允許一個進程訪問該資源。為此，在系統中建立了一種機制，來確保多個進程訪問該類資源時實現互斥訪問。

當進程A要訪問某類資源時，必須先提出請求。如果此時該資源空閑，系統就可以將該資源分配給進程A。如果之后又有進程請求訪問該資源，就必須等待，直到進程A使用完該資源。這種資源共享方式稱為互斥式共享，把這種在一段時間內只允許一個進程訪問的資源，稱為臨界資源（或獨占資源）。系統中的大多數物理設備，如棧、變量、表格都屬于臨界資源，都只能互斥的共享。在之后的信號量機制中就實現的該種方式，用于保證所有進程互斥的使用臨界資源。

②同時訪問方式
系統中還有一類資源，允許在一段時間內由多個進程“同時”對它們進行訪問。這里的“同時”在微觀意義上是指進程對該資源的訪問是交替進行的。

三、虛擬

在操作系統中，把通過某種技術將一個物理實體變為若干個邏輯上的對應物的功能稱為“虛擬”。實現“虛擬”的兩種常見技術是時分復用和空分復用。

①時分復用技術
在計算機領域，廣泛使用時分復用技術來實現虛擬處理機、虛擬設備等。時分復用技術提高資源利用率的原因在于利用處理機的空閑時間運行其他程序，從而提高了計算機的資源利用率。
②空分復用技術
空分復用技術則是利用存儲器的空閑空間分區域存放和運行其他的多道程序，以此來提高內存的利用率。單純的空分復用存儲器只能提高內存的利用率，如果要實現在邏輯上擴大存儲器容量的功能，還必須引入虛擬存儲技術。虛擬存儲技術的本質上是實現內存的分時復用，使程序在遠小于它的內存空間中運行。例如，一個300MB的程序在30MB的內存空間中運行，實質上是每次只把用戶程序上的一部分調入內存運行，運行完成后將該部分換出，將另一部分程序換入到內存，通過這樣的置換功能，便實現了用戶程序的各個部分分時的進入內存運行。

四、異步

對于臨界資源的互斥訪問可見，由于資源等因素的限制，使進程的執行通常都不能“一氣呵成”，而是“走走停停”，即進程是以人們不可預知的速度向前推進，每道程序總共需要多少時間才能完成，這也是進程的異步性。只要在操作系統中配置完善的進程同步機制，且運行環境相同，則作業即便經過多次運行，也會獲得完全相同的結果。因此異步運行方式是允許的，并且是操作系統的一個重要特征。

總結

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