第1章 引论 第2课时 操作系统的基本特征《操作系统原理课件（第2版）》 同步教学（电子工业出版社）

操作系统原理(第2版） [图片] 1.1.3 操作系统的基本特征 不同类型的操作系统有各自的特征，但它们都具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性等共同特征。 1．并发性 并发性是操作系统最重要的特征。并发性是指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生（注意，不是同一时刻）。也就是说，在计算机系统中同时存在多个进程，从宏观上看，这些进程是同时运行并向前推进着；从微观上讲，任何时刻只能有一个进程执行，如果在单CPU条件下，这些进程就是在CPU上交替执行。 操作系统的并发性能够有效地改善系统资源的利用率，提高系统的效率。 并发性带来的问题与解决方法 操作系统的并发性会使操作系统的设计和实现变得更加复杂。例如，以何种策略选择下一个可执行的进程？怎样从正在执行的进程切换到另一个等待执行的进程？如何将内存中各交替执行的进程隔离开来，使之互不干扰？怎样让多个交替执行的进程互通消息并协作完成任务？如何协调多个交替执行的进程对资源的竞争？多个交替执行的进程共享文件数据时，如何保证数据的一致性？ 为了更好地解决这些问题，操作系统必须具有控制和管理进程并发执行的能力，必须提供某种机制和策略进行协调，从而使各并发进程能够有条不紊的向前推进（运行）并获得正确的运行结果。此外，操作系统要充分发挥系统的并行性，就要合理地组织计算机的工作流程，协调各类软、硬件资源的工作，充分提高资源的利用率。 2．共享性 共享性是操作系统的另一个重要特征。在内存中并发执行的多个进程可以共同使用系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）。资源共享的方式可以分为以下两种。 （1）互斥使用方式：指当一个进程正在使用某种资源时，其他欲使用该资源的进程必须等待，仅当这个进程使用完该资源并释放后，才允许另一个进程使用这个资源，即它们只能互斥地共享该资源，因此这类资源也称互斥资源。系统中的有些资源，如打印机、磁带机的使用就只允许互斥使用。 （2）同时使用方式：系统中有些资源允许在同一段时间内被多个进程同时使用，这里的“同时”是宏观意义上的。典型的可供多个进程同时使用的资源是磁盘。 共享性和并发性是操作系统两个最基本的特征，它们互为依存。 3．虚拟性 虚拟性（Virtual）的本质含义是指将一个物理实体映射为多个逻辑实体。前者是实际存在的；后者是虚拟的，是一种感觉性的存在。例如，在单CPU系统中虽然只有一个CPU存在，且每一时刻只能执行一道程序，但操作系统采用了多道程序技术后，在一段时间间隔内，从宏观上看有多个程序在运行，给人的感觉好像是有多个CPU在支持每一道程序运行。这种情况就是将一个物理的CPU虚拟为多个逻辑的CPU。 4．不确定性 在多道程序设计环境下，不确定性表现在以下三个方面： （1）在多道程序环境中，允许多个进程（程序）并发执行，但由于资源等因素的限制，每个进程的运行并不是“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式执行。内存中的每个进程何时开始执行，何时暂停，以什么速度向前推进，每个进程需要多少时间才能完成都是不可预知的。 （2）并发程序的执行结果也可能不确定，在其他并发程序执行的影响下，对同一程序和同样的初始数据，其多次执行的结果可能不同。因此，在程序的并发执行中，操作系统必须解决这个问题，即保证在相同初始条件下，重复执行同一个程序时都不受运行环境的影响，而得到完全相同的结果。 （3）外部设备中断、I/O请求、程序运行时发生中断的时间等都是不可预测的。 1.2 操作系统的逻辑结构和运行模型 不言而喻，操作系统的重要性要远远大于用户程序。那么如何保证操作系统的重要性呢？通常的办法是采用内核态和用户态两种模式。 内核态是指操作系统程序运行的状态，在该状态下可以执行操作系统的所有指令（包括特权指令），并能够使用系统的全部资源。 用户态是指用户程序运行的状态，在该状态下所能执行的指令和访问的资源都将受到限制。 内核态和用户态各有优势：运行在内核态的程序可以访问的资源多，但可靠性、安全性要求高，维护管理比较复杂；用户态程序可以访问的资源有限，但可靠性、安全性要求低，编写程序和维护管理都比较简单。 内核态 访问的资源多 可靠性、安全性要求高 维护管理比较复杂 用户态 访问的资源有限 可靠性、安全性要求低 编程和维护比较简单 1.2.1 用户态和内核态的划分 1.2.2 操作系统的逻辑结构 1. 单内核结构 优