操作系统特性与进程概念解析

"该资源主要讨论了操作系统的概念、功能以及进程的特征，重点强调了并发性、共享性、异步性和虚拟性等操作系统的主要特性。同时提到了多道程序设计在操作系统中的应用，以及批处理、分时和实时操作系统的特点。此外，还介绍了进程的动态性、独立性、异步性以及结构组成，并概述了进程的三种基本状态：就绪、运行和等待。" 操作系统是计算机系统的核心组成部分，它通过提供系统调用来扩展硬件功能，管理处理机、存储、设备、文件以及网络通信，同时为用户提供友好的交互界面。操作系统的主要特性包括： 1. 并发性：操作系统允许多个进程在同一时间段内存在于内存中，并能交替执行，使得多个任务看似同时进行。例如，在多任务操作系统中，用户可以同时打开浏览器浏览网页，同时播放音乐。 2. 共享性：系统中的资源可以被多个进程共享，例如内存空间、文件和设备。但为了防止资源冲突，操作系统采用各种同步机制，如互斥锁和信号量，来协调进程间的访问。 3. 异步性：进程执行的速度不可预测，操作系统需要管理这种非确定性的执行顺序。例如，进程可能会因为等待I/O操作完成而暂停，待I/O完成后，操作系统会重新调度该进程继续执行。 4. 虚拟性：操作系统通过虚拟化技术提供比实际物理资源更多的逻辑资源，如虚拟内存，使进程感觉拥有独占的资源。 多道程序设计是操作系统实现并发的基础，它使得多个程序可以在内存中并发执行。从宏观上看，看起来多个程序同时在运行；从微观上看，实际上是CPU快速切换执行不同的进程。引入多道程序设计提高了系统资源利用率，减少了CPU空闲时间，改善了系统效率。 操作系统的主要功能包括： - 处理机管理：负责分配和调度CPU，管理进程的创建和终止。 - 存储管理：管理内存资源，防止内存碎片，提高内存利用率。 - 设备管理：处理I/O请求，实现设备的共享和虚拟化。 - 文件管理：负责文件的创建、删除、读写等操作。 - 网络与通信管理：支持网络通信和数据交换。 - 用户接口：提供图形用户界面或命令行接口，方便用户与系统交互。 在用户界面中，系统调用是用户程序请求操作系统服务的途径。例如，当用户点击“保存文件”按钮时，操作系统接收到系统调用，执行相应的文件保存操作，包括检查权限、更新文件状态、写入数据等，然后返回控制给用户程序。 当CPU接收到磁盘I/O中断时，中断处理过程大致如下： 1. CPU执行完当前指令后，保存程序状态字（PSW）和程序计数器（PC）到系统堆栈。 2. 根据中断类型，加载新的PC值，开始执行中断处理程序。 3. 中断处理程序保存CPU状态的其余信息，处理I/O事件，如将数据从磁盘读入内存。 4. 完成处理后，恢复CPU状态信息，从系统堆栈恢复原PSW和PC寄存器，继续执行被中断的程序。 进程是操作系统中执行程序的基本单元，具有动态性、独立性、异步性等特征。它们由程序段、数据段和进程控制块（PCB）组成。PCB包含进程的状态、优先级、资源分配等信息，用于管理和调度进程。进程通常有就绪、运行和等待三种状态，根据其对资源的需求和当前执行状态进行转换。