2.3操作系統

操作系統是軟件系統的核心：它合理地組織計算機的工作流程，為用戶提供軟件的開發環境和運行環境。

2.3.1操作系統的概念

操作系統是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統軟件。任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。

操作系統是用戶和計算機的接口，同時也是計算機硬件和其他軟件的接口。

操作系統中的幾個重要概念：

1．進程

進程是一段程序的執行過程，是一個程序及其數據在計算機上順利執行時所發生的活動，它是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。進程是一個動態的概念，是一個活動的實體。

程序是一個靜態的概念，而進程是程序的一次執行過程，是一個動態的概念。進程是有一定生命期的，而程序作為一種軟件資料長期存在，一個程序可以對應多個進程，而一個進程只能對應一個程序。2．線程

線程是進程的一個實體，是CPU調度和分派的基本單位，線程自己不能擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進程的其他線程共享進程所擁有的全部資源。一個線程可以創建和撤銷另一個線程，同一個進程中的多個線程之間可以并發執行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運行中呈現出間斷性。每個程序至少有一個線程，若程序只有一個線程，那就是程序本身。3．內核態和用戶態

當一個任務（進程）執行系統調用而陷入內核代碼中執行時就稱進程處于內核運行態（簡稱內核態）。

當進程在執行用戶自己的代碼時，則稱其處于用戶運行態（簡稱用戶態）。物權態即內核態，擁有計算機中所有軟硬件資源；普通態即用戶態，其訪問資源的數量和權限均受到限制。2.3.2操作系統的功能

操作系統的主要功能是資源管理、程序控制和人機交互等。使計算機系統的所有資源最大限度地發揮作用，為用戶提供方便、有效、友善的服務界面。

操作系統是一個龐大的管理控制程序，它大致包括以下五個管理功能：進程與處理機調度、作業管理、存儲管理、設備管理和文件管理。2.3.3操作系統的發展

操作系統的發展大致經歷了以下6個階段：（1）第一階段：人工操作方式（20世紀40年代）

從第一臺計算機誕生到50年代中期的計算機采用單一操作員、單一控制端的操作系統。SOSC操作系統不能自我運行，它完全是由用戶采用人工操作方式直接使用計算機硬件系統的。第一代計算機在運行時，用戶獨占全機并且CPU等待人工操作，因此效率極低。（2）第二階段：單道批處理操作系統（20世紀50年代）SOSC效率低是因為機器和人速度不匹配，CPU永遠都在等待人的命令。如果將每個人需要運行的作業事先輸入到磁盤上，交給專人統一處理，并由專門的監督程序控制作業一個接一個地執行，則可以減少CPU的空閑時間。這就是批處理操作系統。這個時代的計算機內存中只能存放一道作業，所以稱為單道批處理系統。在這一時期，出現了文件的概念。因為多個作業都存放在磁盤上，必須以某種形式進行隔離，這就抽象出一個區分不同作業的文件概念。（3）第三個階段：多道批處理操作系統（20世紀60年代）

單道批處理系統中CPU和I／O設備是串行執行的，CPU和I／O設備的速度不匹配導致CPU一直等待I／O讀寫結束而無法做其他作業。是否能讓CPU和I／O并發執行呢？當I／O讀寫一個程序時，CPU可以正常執行另一個程序，這就需要將多個程序同時加載到計算機內存中，從而出現了多道批處理操作系統。操作系統能夠實現多個程序之間的切換。它既要管理程序，又要管理內存，還要管理CPU調度，復雜程度迅速增加。（4）第四階段：分時操作系統（20世紀70年代）

在批處理系統中，用戶編寫的程序只能交給別人運行和處理，執行結果也只能靠別人識別。這種對程序脫離監管的狀態讓用戶無法接受。能否既讓使用者親自操作計算機，又能同時運行多個程序？這就是分時操作系統。計算機給每個用戶分配有限的時間，只要時間片一到，就強行將CPU的使用權交給另一個程序。分時操作系統將機器等人轉變為人等機器。如果時間片劃分合理，用戶就感覺好像自己在獨占計算機，而實質上則是由操作系統以時間片方式協調多個用戶分享CPU。

分時操作系統最需要解決的難題是如何公平地分配和管理資源。這一時期的計算機系統需要面對競爭、通信、死鎖、保護等一系列新功能，操作系統變得更復雜。（5）第五階段：實時操作系統（20世紀70年代）

隨著信息技術的發展，計算機被廣泛應用到工業控制領域。該領域的一個特殊要求就是計算機對各種操作必須在規定時間內做出響應，否則有可能導致不可預料的后果。為了滿足這些應用對響應時間的要求，出現了實時操作系統。實時操作系統是指在所有任務都在規定時間內

實時操作系統是指在所有任務都在規定時間內完成的操作系統。這里的“實時”并不表示反應速度快，而是指反應要滿足時序可預測性的要求。實時操作系統又分為軟實時系統和硬實時系統。這里的軟和硬指對時間約束的嚴格程度。軟實時系統在規定時間內得不到相應的后果是可以承受的，軟實時系統的時限是一個柔性靈活的時限，失敗造成的后果并不嚴重，例如在網絡中超時失敗僅僅是降低了系統的吞吐量。硬實時系統有一個剛性的不可改變的時間限制，超時失敗會帶來不可承受的災難，如導彈防御系統。

實時操作系統中最重要的任務是進程或工作調度，只有精確、合理和及時的進度才能保證響應時間。另外，實時操作系統對可靠性和可用性要求也非常高。（6）第六階段：現代操作系統（20世紀80年代至今）

網絡的出現，觸發了網絡操作系統和分布式操作系統的產生，兩者合稱為分布式系統。分布式系統的目的是將多臺計算機虛擬成一臺計算機，將一個復雜任務分化成若干簡單子任務，分別讓多臺計算機并行執行。網絡操作系統和分布式操作系統的區別在于前者是已有操作系統基礎上增加網絡功能，后者是從設計之初就考慮到多機共存問題。2.3.4操作系統的種類

操作系統的種類繁多，依其功能和特性可分為批處理操作系統、分時操作系統和實時操作系統等；依同時管理用戶數的多少可分為單用戶操作系統和多用戶操作系統；還有適合管理計算機網絡環境的網絡操作系統。通常操作系統有以下5類：（1）單用戶操作系統（SingleUserOperatingSystem）

單用戶操作系統的主要特征是計算機系統內一次只能支持運行一個用戶程序。這類系統的最大缺點是計算機系統的資源不能充分被利用。微型機的DOS、Windows操作系統屬于這一類。（2）批處理操作系統（BatchProcessingOperatingSystem）

批處理操作系統是20世紀70年代運行于大、中型計算機上的操作系統，當時由于單用戶單任務操作系統的CPU使用效率低，I／O設備資源未充分利用，因而產生了多道批處理系統，它主要運行在大、中型機上。多道是指多個程序或多個作業（MultiProgramsorMultiJobs）同時存在和運行，故也稱為多任務操作系統。IBM的DOS/VSE就是這類系統。（3）分時操作系統（Time-SharingOperatingSystem）

分時系統是一種具有如下特征的操作系統：在一臺計算機周圍掛上若干臺近程或遠程終端，每個用戶可以在各自的終端上以交互的方式控制作業運行。

在分時系統管理下，雖然各用戶使用的是同一臺計算機，但卻能給用戶一種“獨占計算機”的感覺。實際上是分時操作系統將CPU時間資源劃分成極短的時間片（毫秒量級），輪流分給每個終端用戶使用，當一個用戶的時間片用完后，CPU就轉給另一個用戶，前一個用戶只能等待下一次輪到。由于人的思考、反應和鍵入的速度通常比CPU的速度慢得多，所以只要同時上機的用戶不超過一定數量，人不會有延遲的感覺，好像每個用戶都獨占著計算機。

分時系統的優點是：第一，經濟實惠，可充分利用計算機資源；第二，由于采用交互會話方式控制作業，用戶可以坐在終端前邊思考、邊調整、邊修改，從而大大縮短了解題周期；第三，分時系統的多個用戶間可以通過文件系統彼此交流數據和共享各種文件，在各自的終端上協同完成共同任務。分時操作系統是多用戶多任務操作系統，UNIX是國際上最流行的分時操作系統。此外，UNIX具有網絡通信與網絡服務的功能，也是廣泛使用的網絡操作系統。（4）實時操作系統（Real-TimeOperatingSystem）

在某些應用領域，要求計算機對數據能進行迅速處理。例如，在自動駕駛儀控制下飛行的飛機、導彈的自動控制系統中，計算機必須對測量系統測得的數據及時、快速地進行處理和反應，以便達到控制的目的，否則就會失去戰機。這種有響應時間要求的快速處理過程叫做實時處理過程。當然，響應的時間要求可長可短，可以是秒、毫秒或微秒級的。對于這類實時處理過程，批處理系統或分時系統均無能為力了，因此產生了另一類操作系統——實時操作系統。配置實時操作系統的計算機系統稱為實時系統。

實時系統按其使用方式可分成兩類：一類是廣泛用于鋼鐵、煉油、化工生產過程控制，武器制導等各個領域中的實時控制系統；另一類是廣泛用于自動訂購飛機票、火車票系統，情報檢索系統，銀行業務系統，超級市場銷售系統中的實時數據處理系統。（5）網絡操作系統（NetworkOperatingSystem）

網絡是將物理上分布（分散）的具有獨立功能的多個計算機系統互聯起來，通過網絡協議在不同的計算機之間進行信息交換、網絡管理、資源共享、通信及系統安全等。它們都是按照各自的標準協議進行開發的。

用戶可以突破地理條件的限制，方便地使用遠程的計算機資源。提供網絡通信和網絡資源共享功能的操作系統稱為網絡操作系統。2.3.5典型操作系統

典型的操作系統主要包括DOS操作系統、Windows操作系統、UNIX操作系統以及Linux操作系統。1、DOS操作系統DOS操作系統是一種單用戶、單任務的計算機操作系統。DOS采用字符界面，必須輸入各種命令來操作計算機，不利于一般用戶操作計算機。2、Windows操作系統Windows操作系統是一種面向對象的圖形界面，友好生動的用戶界面，支持各種設備，支持即插即用技術，可同時運行多個應用程序。先進的內存管理，