操作系统基础：并行与串行程序执行解析

"在A程序计算时I/O空闲-操作系统课件" 操作系统是计算机系统的核心组成部分，它的主要任务是管理和协调计算机硬件和软件资源，为用户提供高效、便捷的服务。在传统的单道程序环境中，当一个程序（如A程序）进行计算时，如果涉及到I/O操作（例如磁盘读写），CPU会处于空闲状态，因为I/O设备的工作速度通常远慢于CPU。这种情况下，CPU的利用率低，系统效率不高。 如描述中所示，A程序在进行I/O操作时，CPU无法执行其他任务，只能等待I/O操作完成。接着，B程序才能进入内存开始工作，这导致了两个程序之间的串行执行，总耗时等于A和B程序各自的计算和I/O时间之和（T1 + T2）。这是早期操作系统中的常见问题，即CPU和I/O设备的工作不匹配导致的效率低下。 为了解决这个问题，操作系统引入了多道程序设计技术，使得在A程序进行I/O操作的同时，CPU可以切换执行其他不依赖相同I/O资源的程序（如B程序）。这样，通过进程调度，CPU可以在多个程序之间切换，减少了空闲时间，提高了系统整体的吞吐量。这种模式被称为并发执行，是现代操作系统的基础。 操作系统的基本功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和作业调度等。其中，进程管理负责创建、撤销、切换和同步进程；内存管理则涉及内存的分配、回收以及地址映射；文件管理负责文件的创建、删除、读写和保护；设备管理是控制输入/输出设备的分配和使用；作业调度则是决定哪个程序应该在何时获得CPU执行。 操作系统有多种分类方式，如按其运行环境分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统和网络操作系统；按其结构特性分为单内核、微内核、模块化和分布式操作系统等。不同的操作系统根据其设计目标和应用场景，提供了不同级别的并行性和并发性，以及不同的资源分配策略。 在研究操作系统时，通常会从系统结构、系统实现、性能分析和设计原理等多个角度进行。操作系统结构设计包括单一结构、层次结构、客户-服务器结构以及微内核结构等，每种结构都有其优缺点，适用于不同的需求。 常见的操作系统有Windows、Linux、Unix、macOS等，它们都在不断地发展和进化，以适应日益复杂的计算环境和用户需求。操作系统的设计和优化对于提高计算机系统的效率、可靠性和用户体验至关重要。因此，深入理解操作系统的概念、发展历程、分类、特征以及基本功能，对于使用和开发计算机系统的人来说，都是非常重要的。