操作系统的功能和概念

很多人认为将程序输入计算机中运行并得出结果是一个很简单的过程，其实整个执行情况错综复杂、各种因素相互影响。比如，如何确定你的程序运行正确，如何保证你的程序性能最优，如何控制程序执行的全过程，这其中操作系统起了关键性的作用。

1.操作系统的概念

操作系统是一个系统软件，它是一些程序模块的集合，这些程序模块管理和控制计算机系统中的软硬件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境。操作系统在计算机与用户之间起到接口的作用，如图2-15所示。

图2-15 操作系统的位置

操作系统是最基本，最重要的系统软件。它负责管理计算机系统的全部软件资源和硬件资源，合理地组织计算机各部分协调工作，为用户提供操作和编程界面。随着计算机技术的迅速发展和计算机的广泛应用，用户对操作系统的功能、应用环境、使用方式不断提出了新的要求，因而逐步形成了不同类型的操作系统。根据操作系统的功能和使用环境，大致可分为单用户操作系统、批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等。

操作系统通常是最靠近硬件的一层系统软件，它把硬件裸机改造成为功能完善的一台虚拟机，使得计算机系统的使用和管理更加方便，计算机资源的利用效率更高，上层的应用程序可以获得比硬件提供的功能更多的支持。

操作系统中的重要概念有进程、线程、内核态和用户态。

（1）进程

进程（Process）是操作系统中的一个核心概念。进程（Process），顾名思义，是指进行中的程序，即：进程=程序+执行。进程是程序的一次执行过程，是系统进行调度和资源分配的一个独立单位。或者说，进程是一个程序与其数据一道在计算机上顺利执行时所发生的活动，简单地说，就是一个正在执行的程序。

在Windows、Unix、Linux等操作系统中，用户可以查看到当前正在执行的进程。如图2-16所示的任务管理器（按“Ctrl+Shift+Esc”键），利用任务管理器可以快速查看进程信息，或者强行终止某个进程。当然，结束一个应用程序的最好方式是在应用程序的界面中正常退出，而不是在进程管理器中删除一个进程，除非应用程序出现异常而不能正常退出时才这样做。

图2-16 Windows任务管理器

（2）线程

随着硬件和软件技术的发展，为了更好地实现并发处理和共享资源，提高CPU的利用率，目前许多操作系统把进程再“细分”成线程（Threads）。线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程基本不拥有系统资源，只拥有在运行中必不可少的资源（如程序计数器，一组寄存器和栈），但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

（3）内核态和用户态

计算机世界中的各程序是不平等的，它们有特权态和普通态之分。特权态即内核态，拥有计算机中所有的软硬件资源；普通态即用户态，其访问资源的数量和权限均受到限制。

关系到计算机根本运行的程序应该在内核态下执行（如CPU管理和内存管理），只与用户数据和应用相关的程序则放在用户态中执行（如文件系统和网络管理）。由于内核态享有最大权限，其安全性和可靠性尤为重要。一般能够运行在用户态的程序就让它在用户态中执行。

2.操作系统的主要作用

（1）提高系统资源利用率：通过对计算机系统软硬件资源进行合理的调度与分配，最大限度地发挥计算机系统工作效率，即提高计算机系统在单位时间内处理任务的能力。

（2）提供方便友好的用户界面：使用户无须了解过多的有关硬件和系统软件的细节就能方便灵活地使用计算机。(www.xing528.com)

（3）提供软件开发的运行环境：给计算机系统的功能扩展提供支撑平台，使之在增加新的服务和功能时更加容易，且不影响原有的服务和功能。

3.操作系统的功能

（1）处理机管理：在多道程序或多用户的情况下，组织多个作业同时运行，解决对处理机分配调度策略、分配实施和资源回收等问题，从而实现处理机的高速、有效运行。

（2）存储管理：主要是对内存进行分配、保护和扩充，合理地为各种程序分配内存，保证程序间不发生冲突和相互破坏，并将内存和外部存储器结合管理，为用户提供虚拟内存。

（3）设备管理：根据一定的分配策略，把通道、控制器和输入/输出设备分配给请求输入/输出操作的程序，并启动设备完成实际的输入/输出操作，使用户方便灵活地使用设备。

（4）文件管理：这是对软件资源的管理，对暂时不用的程序数据以文件的形式保存到外存储器上，保证这些文件不会引起混乱或遭到破坏，并实现信息共享、保密和保护。

（5）用户接口：提供方便友好的用户界面，用户无须了解有关硬件和系统软件的细节就能方便灵活地使用计算机。

4.操作系统的分类

操作系统的种类繁多，依其功能和特性可分为批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统等；依同时管理用户数的多少分为单用户操作系统和多用户操作系统；依其有无管理网络环境的能力可分为网络操作系统和非网络操作系统。通常操作系统有以下五类。

（1）单用户操作系统（Single User Operating System）

单用户操作系统的主要特征是计算机系统内一次只能支持运行一个用户程序。这类系统的最大缺点是计算机系统的资源不能充分被利用。微型计算机的DOS、Windows操作系统属于这类系统。

（2）批处理操作系统（Batct Processing Operatiiig System）

批处理操作系统是20世纪70年代运行于大、中型计算机上的操作系统，当时由于单用户单任务操作系统的CPU使用效率低，I/O设备资源未被充分利用，因而产生了多道批处理系统。多道是指多个程序或多个作业（Multi-Programes or Multi-Jobs）同时存在和运行，故也称为多任务操作系统。IBM的D0S/VSE就是这类系统。

（3）分时操作系统（Time-Sharing Operating System）

分时系统实际上是将CPU时间资源划分成极短的时间片（毫秒量级），轮流分给每个终端用户使用，当一个用户的时间片用完后，CPU就转给另一个用户，前一个用户只能等待下一次轮到每个用户可以在各自的终端上以交互的方式控制作业运行。分时操作系统是多用户多任务操作系统，Unix是国际上最流行的分时操作系统。此外，Unix具有网络通信与网络服务的功能，也是广泛使用的网络操作系统。

（4）实时操作系统（Real-Time Operating System）

实时操作系统是对测量系统测得的数据及时、快速地进行处理和反应，以便达到控制的目的。实时系统按其使用方式可分成两类：一类是广泛用于钢铁、炼油、化工生产过程控制、武器制导等各个领域中的实时控制系统；另一类是广泛用于自动订购飞机票、火车票系统，情报检索系统，银行业务系统，超级市场销售系统中的实时数据处理系统。

（5）网络操作系统（Network Operating System）

网络是将物理上分布（分散）的独立的多个计算机系统互联起来，通过网络协议在不同的计算机之间实现信息交换、资源共享。通过网络，用户可以突破地理条件的限制，方便地使用远地的计算机资源。提供网络通信和网络资源共享功能的操作系统称为网络操作系统。