操作系統(tǒng)的基本特性——并發(fā)、共享、虛擬、異步

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

操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：

一、并發(fā)

① 并發(fā)性與并行性的區(qū)別：
并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生；并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)宏觀上有多個程序同時運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時刻只能由一道程序執(zhí)行，所以微觀上程序是分時地交替執(zhí)行的。

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

②引入進(jìn)程實(shí)現(xiàn)并發(fā)
進(jìn)程：是指在系統(tǒng)中能獨(dú)立運(yùn)行并作為資源分配的基本單位，它是由一組機(jī)器指令、數(shù)據(jù)和堆棧組成的，是一個能獨(dú)立運(yùn)行的活動實(shí)體。在一個未引入進(jìn)程的系統(tǒng)中，屬于同一個應(yīng)用程序的計(jì)算程序和I/O程序之間只能是順序執(zhí)行，并且當(dāng)其中一個程序執(zhí)行時，另一個程序不能執(zhí)行。如果為兩個進(jìn)程分別建立一個進(jìn)程（Process），這兩個進(jìn)程便可以并發(fā)執(zhí)行了。實(shí)行這種方式，極大的提高了系統(tǒng)資源的利用率，增加了系統(tǒng)的吞吐量。多個進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行和交換信息。

二、共享

OS環(huán)境下的共享，即資源共享或資源復(fù)用，是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。系統(tǒng)必須對資源進(jìn)行妥善的管理，如果管理不當(dāng)，就有可能造成資源競爭，進(jìn)程陷入無限等待的局面。由于資源的屬性不同，進(jìn)程對資源的復(fù)用方式也不同，目前主要實(shí)現(xiàn)資源共享的方式有兩種：
①互斥共享方式
系統(tǒng)中的某些資源，雖然能夠提供給多個進(jìn)程使用，但是規(guī)定在一段時間內(nèi)，只允許一個進(jìn)程訪問該資源。為此，在系統(tǒng)中建立了一種機(jī)制，來確保多個進(jìn)程訪問該類資源時實(shí)現(xiàn)互斥訪問。

當(dāng)進(jìn)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(tǒng)就可以將該資源分配給進(jìn)程A。如果之后又有進(jìn)程請求訪問該資源，就必須等待，直到進(jìn)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(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源，稱為臨界資源（或獨(dú)占資源）。系統(tǒng)中的大多數(shù)物理設(shè)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(jī)制中就實(shí)現(xiàn)的該種方式，用于保證所有進(jìn)程互斥的使用臨界資源。

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

三、虛擬

在操作系統(tǒng)中，把通過某種技術(shù)將一個物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物的功能稱為“虛擬”。實(shí)現(xiàn)“虛擬”的兩種常見技術(shù)是時分復(fù)用和空分復(fù)用。

①時分復(fù)用技術(shù)
在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，廣泛使用時分復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī)、虛擬設(shè)備等。時分復(fù)用技術(shù)提高資源利用率的原因在于利用處理機(jī)的空閑時間運(yùn)行其他程序，從而提高了計(jì)算機(jī)的資源利用率。
②空分復(fù)用技術(shù)
空分復(fù)用技術(shù)則是利用存儲器的空閑空間分區(qū)域存放和運(yùn)行其他的多道程序，以此來提高內(nèi)存的利用率。單純的空分復(fù)用存儲器只能提高內(nèi)存的利用率，如果要實(shí)現(xiàn)在邏輯上擴(kuò)大存儲器容量的功能，還必須引入虛擬存儲技術(shù)。虛擬存儲技術(shù)的本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的分時復(fù)用，使程序在遠(yuǎn)小于它的內(nèi)存空間中運(yùn)行。例如，一個300MB的程序在30MB的內(nèi)存空間中運(yùn)行，實(shí)質(zhì)上是每次只把用戶程序上的一部分調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行，運(yùn)行完成后將該部分換出，將另一部分程序換入到內(nèi)存，通過這樣的置換功能，便實(shí)現(xiàn)了用戶程序的各個部分分時的進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)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(jìn)程的執(zhí)行通常都不能“一氣呵成”，而是“走走停停”，即進(jìn)程是以人們不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，每道程序總共需要多少時間才能完成，這也是進(jìn)程的異步性。只要在操作系統(tǒng)中配置完善的進(jìn)程同步機(jī)制，且運(yùn)行環(huán)境相同，則作業(yè)即便經(jīng)過多次運(yùn)行，也會獲得完全相同的結(jié)果。因此異步運(yùn)行方式是允許的，并且是操作系統(tǒng)的一個重要特征。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统基本特性——并发、共享、虚拟、异步的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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