操作系统基础：并发共享、资源管理与系统调用

操作系统是计算机系统的核心组成部分，它的主要任务是对计算机的硬件资源，包括处理器、内存、外设以及各类文件等，进行有效的管理和调度。操作系统的设计目标是提高系统效率，方便用户使用，并确保系统的稳定性和安全性。 操作系统的特征主要包括并发性、共享性、虚拟化、异步性这四个关键点。 1. 并发性：并发是指多个事件或任务在同一个时间间隔内看似同时进行的现象。在单核CPU中，由于CPU在同一时刻只能执行一个程序，因此通过快速切换（上下文切换）使得多个程序宏观上看起来是同时运行的，这种现象称为并发。而在多核CPU环境下，多个核心可以真正地同时执行不同的程序，实现并行计算。 2. 共享性：操作系统中的资源可以被内存中多个并发执行的进程共同使用。共享资源有两种主要方式：互斥共享和同时共享。互斥共享是指在某一时间段内，资源只能被一个进程独占使用；而同时共享则允许多个进程在不同时间片段分时使用同一资源，如时间片轮转调度。 3. 虚拟化：虚拟技术包括空间分复用（多个进程共享内存空间）和时间分复用（时间片轮转）。这两种技术使得有限的资源可以被多个用户或进程有效地利用，创造出资源无限的假象。 4. 异步性：在多道程序环境下，由于资源竞争和调度，进程的执行不是连续的，而是走走停停，以不可预测的速度推进。这种执行模式称为异步执行，它允许系统在等待某个慢速操作（如I/O操作）完成时，可以切换到其他进程执行。 操作系统提供的主要功能包括： - 处理机管理：负责进程的创建、撤销、调度、同步和通信等，以优化CPU资源的利用率。 - 存储器管理：管理内存分配、回收、页面置换等，保证多个进程安全、高效地共享内存资源。 - 文件管理：处理文件的创建、删除、读写、保护等，提供文件系统供用户和程序使用。 - 设备管理：负责I/O设备的分配、回收、调度，实现设备的虚拟化，提高设备利用率。 操作系统为用户和程序提供了两种主要的接口： - 命令接口：用户可以通过命令行交互式地与操作系统进行交互，如联机命令接口（每次执行一条命令）和脱机命令接口（批量执行多条命令）。 - 程序接口（系统调用）：程序员在编写程序时，通过调用操作系统提供的系统调用来请求服务，实现对硬件和操作系统功能的访问。 系统调用是用户程序与内核之间的桥梁，确保了对系统资源的受控访问。根据系统设计，用户程序不能直接执行特权指令，只有通过系统调用进入内核态才能执行这些指令，以保护系统的稳定性和安全性。 根据功能和应用场景，操作系统主要分为以下几类： - 批处理操作系统：适合大量无交互性的作业处理，分为单道批处理和多道批处理系统，后者提高了CPU和I/O设备的利用率。 - 分时操作系统：允许多个用户同时使用系统，每个用户在一个时间片内获得CPU，适用于办公、教学等需要交互的场景。 - 实时操作系统：强调响应时间和可靠性，用于控制设备、监控系统等实时性要求高的应用，分为硬实时和软实时，前者对时间限制更为严格。 操作系统通过中断技术实现了多道批处理系统的I/O设备与CPU的并行工作，提升了整体系统效率。此外，操作系统在内核态和用户态之间切换，以保护系统核心功能不被非法访问，确保系统的稳定运行。