并发执行的特征与操作系统效率

"该资源是一份关于操作系统课程的辅导材料，涵盖了操作系统的基本概念、目标、作用、模型以及并发执行的特征。重点讨论了操作系统如何提高计算机使用的方便性、有效性、可扩展性和开放性，并介绍了操作系统在处理机管理、存储器管理、I/O设备管理和文件管理中的角色。此外，还提到了操作系统的发展历程，从无操作系统到单道批处理系统的变化，以及这些系统存在的优势和不足。" 在操作系统中，程序并发执行是关键特性之一，它带来了以下三个主要特征： 1. **间断性**：当多个程序在系统中并发运行时，它们的执行并非连续不间断，而是由操作系统通过时间片轮转或其他调度算法进行切换。每个程序在执行过程中会被中断，然后由操作系统切换到另一个程序执行，从而形成间断性执行。 2. **失去封闭性**：在并发环境下，程序无法完全控制其执行环境，因为其他程序可能会同时访问相同的资源，如内存、处理器或文件系统。这可能导致数据的不一致性，程序的行为可能受到其他并发程序的影响。 3. **不可再现性**：由于并发执行的非确定性，程序的执行顺序和时间依赖于调度策略、系统负载和其他并发进程的行为，因此同样的程序在不同的并发环境中可能会表现出不同的行为，难以重现某些结果。 在描述中提到的例子中，计算了采用多道程序设计方法提高系统效率的问题。当三个程序Pa、Pb和Pc并发执行时，考虑了处理机利用率和系统开销。处理机工作时间分别为Pa=10分钟，Pb=15分钟，Pc=35分钟，总时间为60分钟。如果处理机利用率达到60%，意味着实际处理机工作时间为60分钟的60%，即36分钟。加上20分钟的系统开销，总共需要56分钟来完成所有任务。对比单道执行，总时间为Ta+Tb+Tc=1+1.5+2=4.5小时（或270分钟），通过并发执行，系统效率提高了(270-56)/270*100%约等于81.5%。 操作系统的目标不仅包括提高方便性、有效性，还要确保系统的可扩展性和开放性。方便性体现在用户可以通过友好的用户接口（如命令接口、菜单接口或图形用户界面）轻松地与计算机交互。有效性则体现在操作系统通过资源管理（如处理机、存储器、I/O设备和文件）来提高计算机资源的利用率。可扩展性意味着操作系统能够适应新技术和新需求。开放性则保证了应用程序的可移植性和不同系统间的互操作性。 操作系统通过提供系统调用接口（API）来供应用软件调用，这些系统调用实现了对硬件资源的控制和管理。例如，处理机管理涉及CPU的分配和控制；存储器管理负责内存的分配与回收；I/O设备管理处理设备的分配和操作；文件管理则关注文件的创建、读写、共享和保护。 从无操作系统到单道批处理系统的演进，是为了解决人机矛盾和提高计算机资源利用率。无操作系统时，计算机资源由单一用户独占，效率低下。而单道批处理系统引入了自动化和批处理，减少了人工干预，但在效率和交互性方面仍有局限，比如平均周转时间较长，缺乏用户与系统的实时交互。