并发与共享：操作系统中的多道程序设计

"多道程序环境程序设计思想及并行程序设计是操作系统的重要组成部分。操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和异步性等基本特性，这些特性相互关联且互为存在条件。并发性指的是宏观上多道程序同时执行，而在单处理机系统中，实际上是交替执行。共享性则意味着资源可以被多个程序共同使用，分为互斥共享和同时共享。虚拟性通过技术手段扩大了硬件资源的效果，如虚拟CPU让用户感觉拥有独立的处理器。异步性使得程序的执行速度和时间不确定，导致执行的不确定性。操作系统通过管理这些特性来协调并行程序对资源的访问，确保系统的高效运行。" 在多道程序环境中，例如描述中的例子，有n个作业，每个作业包括输入、处理和输出三个步骤。这些作业在执行时可能存在时间上的前后顺序，但某些步骤可以并行执行。操作系统需要管理这种并发执行，确保作业之间的正确同步和资源的公平分配。 并行程序设计旨在利用并发性提高系统效率。在单处理机系统中，操作系统通过时间片轮转等调度算法实现并发，让多个程序看起来同时运行。而在多处理机或多核系统中，真正的并行执行成为可能，多个处理器或核心可以同时处理不同的任务。 共享性是操作系统的关键特性之一，允许程序共享内存、I/O设备和其他资源。互斥共享是指资源在同一时间只能被一个进程访问，例如互斥锁机制用于防止数据竞争。同时共享则允许多个进程同时访问资源，但通常需要协调机制，如信号量，以避免冲突。 虚拟性是通过操作系统提供的服务，将物理资源转化为逻辑上的多个资源。例如，虚拟内存技术使得程序可以认为它拥有比实际物理内存更大的空间，而实际上，操作系统通过页面交换在硬盘和内存之间动态调度数据。 异步性反映了在多道程序环境中，进程执行的非确定性。由于资源的限制，进程可能会暂停，等待其他事件的发生，然后再继续执行。这种不确定性要求操作系统具备处理中断和恢复的能力，以保证系统的稳定性和响应性。 操作系统通过这些特性管理和优化并发执行，确保多道程序环境的高效运行。例如，通过进程通信机制（如管道、消息队列、信号量等）来协调并发进程之间的交互，以及通过调度策略来决定哪个进程应该获得CPU的使用权。同时，操作系统还需要提供错误恢复机制，以处理可能出现的死锁和资源竞争等问题。 多道程序环境下的程序设计思想和并行程序设计是操作系统理论的基础，它们涉及并发性、共享性、虚拟性和异步性等多个方面，这些特性共同构建了现代操作系统的核心功能，支撑着我们日常使用的各种计算设备和服务。