操作系统的主要特性

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知识重点：操作系统的主要特性 1、并发性并发性（ concurrence）是指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。操作系统是一个并发系统，并发性是它的重要特征，操作系统的并发性指它应该具有处理..(来源于电脑知识网)
操作系统的主要特性
1、并发性

并发性（
concurrence）是指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。
操作系统是一个并发系统，并发性是它的重要特征，操作系统的并发性指它应该具有
处理和调度多个程序同时执行的能力。多个
I/O设备同时在输入输出；设备
I/O和
CPU
计算同时进行；内存中同时有多个系统和用户程序被启动交替、穿插地执行，这些都
是并发性的例子。发挥并发性能够消除计算机系统中部件和部件之间的相互等待，有
效地改善系统资源的利用率，改进系统的吞吐率，提高系统效率。例如，一个程序等
待
I/O时，就出让 CPU
CPU，而调度另一个程序占有
CPU执行运行。这样，在程序等待
I/O
时，CPU便不会空闲，这就是并发技术。

并发性虽然能有效改善系统资源的利用率，但却会引发一系列的问题，使操作系
统的设计和实现变得复杂化。如：怎样从一个运行程序切换到另一个运行程序？以什
么样的策略来选择下一个运行的程序?怎样将各个运行程序隔离开来，使之互不干扰，
免遭对方破坏？怎样让多个运行程序互通消息和协作完成任务？怎样协调多个运行程
序对资源的竞争？多个运行程序共享文件数据时，如何保证数据的一致性？操作系统
必须具有控制和管理程序并发执行的能力，为了更好的解决上述问题，操作系统必须
提供机制和策略来进行协调，以使各个并发进程能顺利推进，并获得正确的运行结果。
另外，操作系统还要合理组织计算机工作流程，协调各类硬软件设施工作，充分提高
资源的利用率，充分发挥系统的并行性，这些也都是在操作系统的统一指挥和管理下
进行的。

采用了并发技术的系统又称为多任务系统（
multitasking system），计算机系统中，
并发实际上是一个物理
CPU在若干道程序之间多路复用，这样就可以实现运行程序之
间的并发，以及
CPU与 内存
I/O设备、I/O设备与
I/O设备之间的并行，并发性的实质是对
有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。在多处理器系统中，程序的并发性不
仅体现在宏观上，而且体现在微观上（即在多个
CPU上）也是并发的，又称并行的。
并行性（
parallelism）是指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生。在多道程序
环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同
CPU上同时执行。而在分布式系统中，
多台计算机的并存使程序的并发性得到了更充分的发挥。可见并行性是并发性的特例，
而并发性是并行性的扩展。由于并发技术的本质思想是：当一个程序发生事件（如等
待
I/O）时出让其占用的
CPU而由另一个程序运行，据此不难看出，实现并发技术的
关键之一是如何对系统内的多个运行程序（进程）进行切换的技术。

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2、共享性
(sharing)

共享性是操作系统的另一个重要特性。共享指操作系统中的资源（包括硬件资源
和信息资源）可被多个并发执行的进程共同使用，而不是被一个进程所独占。出于经
济上的考虑，一次性向每个用户程序分别提供它所需的全部资源不但是浪费的，有时
也是不可能的。现实的方法是让操作系统和多个用户程序共用一套计算机系统的所有
资源，因而，必然会产生共享资源的需要。资源共享的方式可以分成两种：

第一种是互斥访问。系统中的某些资源如打印机、磁带机、卡片机，虽然它们可
提供给多个进程使用，但在同一时间内却只允许一个进程访问这些资源，即要求互相

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排斥地使用这些资源。当一个进程还在使用该资源时，其他欲访问该资源的进程必须
等待，仅当该进程访问完毕并释放资源后，才允许另一进程对该资源访问。这种同一
时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源，许多物理设备，以及某些数据和表格
都是临界资源，它们只能互斥地被共享。

第二种是同时访问。系统中还有许多资源，允许同一时间内多个进程对它们进行
访问，这里“同时”是宏观上的说法。典型的可供多进程同时访问的资源是磁盘，可
重入程序也可被同时访问。

与共享性有关的问题是资源分配、信息保护、存取控制等，必须要妥善解决好这
些问题。

共享性和并发性是操作系统两个最基本的特性，它们互为依存。一方面，资源的
共享是因为程序的并发执行而引起的，若系统不允许程序并发执行，自然也就不存在
资源共享问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，必然会影响到程序
的并发执行，甚至程序无法并发执行，操作系统也就失去了并发性，导致整个系统效
率低下。
3、异步性
(asynchronism)

操作系统的第三个特性是异步性，或称随机性。在多道程序环境中，允许多个进
程并发执行，由于资源有限而进程众多，多数情况，进程的执行不是一贯到底，而是
“走走停停”。例如，一个进程在
CPU上运行一段时间后，由于等待资源满足或事件
发生，它被暂停执行，CPU转让给另一个进程执行。系统中的进程何时执行？何时暂
停？以什么样的速度向前推进？进程总共要化多少时间执行才能完成？这些都是不可
预知的，或者说该进程是以异步方式运行的，其导致的直接后果是程序执行结果可能
不唯一。异步性给系统带来了潜在的危险，有可能导致进程产生与时间有关的错误，
但只要运行环境相同，操作系统必须保证多次运行进程，都会获得完全相同的结果。

操作系统中的随机性处处可见，例如，作业到达系统的类型和时间是随机的；操
作员发出命令或按按钮的时刻是随机的；程序运行发生错误或异常的时刻是随机的；
各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机的等等，操作系统内部产生的事件序
列有许许多多可能，而操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何一种随机事件，
正确处理可能发生的随机事件，正确处理任何一种产生的事件序列，否则将会导致严
重后果。
4、虚拟性
(virtual)

虚拟性是指操作系统中的一种管理技术，它是把物理上的一个实体变成逻辑上的
多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术。显然，前者是
实际存在的而后者是虚构假想的，采用虚拟技术的目的是为用户提供易于使用、方便
高效的操作环境。例如，在多道程序系统中，物理
CPU可以只有一个，每次也仅能执
行一道程序，但通过多道程序和分时使用
CPU技术，宏观上有多个程序在执行，就好
像有多个
CPU在为各道程序工作一样，物理上的一个
CPU变成了逻辑上的多个
CPU。
Spooling技术可把物理上的一台独占设备变成逻辑上的多台虚拟设备；窗口技术可把
一个物理屏幕变成逻辑上的多个虚拟屏幕；通过时分或频分多路复用技术可以把一个
物理信道变成多个逻辑信道；IBM的
VM技术把物理上的一台计算机变成逻辑上的多

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台计算机。虚拟存储器则是把物理上的多个存储器(主存和辅存)变成逻辑上的一个(虚
存)的例子。

1.2 操作系统的形成和发展
1.2.1 人工操作阶段
从计算机诞生到五十年代中期的计算机属于第一代计算机，机器速度慢、规模小、
外设少，操作系统尚未出现。由程序员采用手工方式直接控制和使用计算机硬件，程
序员使用机器语言编程，并将事先准备好的程序和数据穿孔在纸带或卡片上，从纸带

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或卡片输入机将程序和数据输入计算机。然后，启动计算机运行，程序员可以通过控
制台上的按钮、开关和氖灯来操纵和控制程序，运行完毕，取走计算输出的结果，才
轮到下一个用户上机。

随着时间的推移，汇编语言产生了，在汇编系统中，数字操作码被记忆码代替，
程序按固定格式的汇编语言书写。系统程序员预先编制一个汇编程序，它把用汇编语
言书写的“源程序”解释成计算机能直接执行的机器语言格式的目标程序。稍后，一
些高级程序设计语言出现，FORTRAN、ALGOL、和
COBOL语言分别于
1956、1958、
和
1959年设计完成并投入使用，进一步方便了编程。

执行时需要把汇编程序或编译系统以及源程序和数据，都穿在卡片或纸带上，然
后，再装入和执行。其大致过程为：

1）人工把源程序用穿孔机穿在卡片或纸带上；
2）将准备好的汇编程序或编译系统装入计算机；
3）汇编程序或编译系统读入人工装在输入机上的穿孔卡片或穿孔带；
4）执行汇编过程或编译过程，产生目标程序，并输出目标卡片迭或纸带；
5）通过引导程序把装在输入机上的目标程序读入计算机；
6）启动目标程序执行，从输入机上读入人工装好的数据卡片或数据带；
7）产生计算结果，把执行结果从打印机上或卡片机上输出。
上述方式算题比直接用机器语言前进了一步，程序易于编制和易读性好，汇编程
序或编译系统可执行存储分配等辅助工作，从而，在一定程度上减轻了用户的负担。
但是计算机的操作方式并没有多大改变，仍然是在人工控制下进行程序的装入和执行。
人工操作方式存在严重缺点：

..用户独占资源。用户一个个、一道道的串行算题，上机时独占了全机资源，

造成计算机资源利用率不高，计算机系统效率低下。

..人工干预较多。要求程序员装纸带或卡片、按开关、看氖灯等等。手工操作

多了，不但浪费处理机时间，而且，也极易发生差错。

..计算时间拉长。由于数据的输入，程序的执行、结果的输出均是联机进行的，

因而，每个用户从上机到下机的时间拉得非常长。

这种人工操作方式在慢速的计算机上还能容忍，随着计算机速度的提高，其缺点
就更加暴露出来了。譬如，一个作业在每秒
1万次的计算机上，需运行
1个小时，作
业的建立和人工干预化了
3分钟，那么，手工操作时间占总运行时间的
5%；当计算机
速度提高到每秒
10万次，此时，作业运行时间仅需
6分钟，而手工操作不会有多大变
化，仍为
3分钟，这时手工操作时间占了总运行时间的
50%。由此看出缩短手工操作
和人工干预时间十分必要。此外，随着
CPU速度迅速提高而
I/O设备速度却提高不多，
导致
CPU与
I/O设备之间的速度不匹配，矛盾越来越突出，需要妥善解决这些问题。

 

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