2.3操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心：它合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，為用戶提供軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。

2.3.1操作系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序，是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的系統(tǒng)軟件。任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。

操作系統(tǒng)是用戶和計(jì)算機(jī)的接口，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)硬件和其他軟件的接口。

操作系統(tǒng)中的幾個(gè)重要概念：

1．進(jìn)程

進(jìn)程是一段程序的執(zhí)行過(guò)程，是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上順利執(zhí)行時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，是一個(gè)活動(dòng)的實(shí)體。

程序是一個(gè)靜態(tài)的概念，而進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。進(jìn)程是有一定生命期的，而程序作為一種軟件資料長(zhǎng)期存在，一個(gè)程序可以對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程只能對(duì)應(yīng)一個(gè)程序。2．線程

線程是進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不能擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個(gè)線程，同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性。每個(gè)程序至少有一個(gè)線程，若程序只有一個(gè)線程，那就是程序本身。3．內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

當(dāng)一個(gè)任務(wù)（進(jìn)程）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)（簡(jiǎn)稱內(nèi)核態(tài)）。

當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)（簡(jiǎn)稱用戶態(tài)）。物權(quán)態(tài)即內(nèi)核態(tài)，擁有計(jì)算機(jī)中所有軟硬件資源；普通態(tài)即用戶態(tài)，其訪問(wèn)資源的數(shù)量和權(quán)限均受到限制。2.3.2操作系統(tǒng)的功能

操作系統(tǒng)的主要功能是資源管理、程序控制和人機(jī)交互等。使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便、有效、友善的服務(wù)界面。

操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，它大致包括以下五個(gè)管理功能：進(jìn)程與處理機(jī)調(diào)度、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理。2.3.3操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下6個(gè)階段：（1）第一階段：人工操作方式（20世紀(jì)40年代）

從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到50年代中期的計(jì)算機(jī)采用單一操作員、單一控制端的操作系統(tǒng)。SOSC操作系統(tǒng)不能自我運(yùn)行，它完全是由用戶采用人工操作方式直接使用計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的。第一代計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)，用戶獨(dú)占全機(jī)并且CPU等待人工操作，因此效率極低。（2）第二階段：?jiǎn)蔚琅幚聿僮飨到y(tǒng)（20世紀(jì)50年代）SOSC效率低是因?yàn)闄C(jī)器和人速度不匹配，CPU永遠(yuǎn)都在等待人的命令。如果將每個(gè)人需要運(yùn)行的作業(yè)事先輸入到磁盤上，交給專人統(tǒng)一處理，并由專門的監(jiān)督程序控制作業(yè)一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行，則可以減少CPU的空閑時(shí)間。這就是批處理操作系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)代的計(jì)算機(jī)內(nèi)存中只能存放一道作業(yè)，所以稱為單道批處理系統(tǒng)。在這一時(shí)期，出現(xiàn)了文件的概念。因?yàn)槎鄠€(gè)作業(yè)都存放在磁盤上，必須以某種形式進(jìn)行隔離，這就抽象出一個(gè)區(qū)分不同作業(yè)的文件概念。（3）第三個(gè)階段：多道批處理操作系統(tǒng)（20世紀(jì)60年代）

單道批處理系統(tǒng)中CPU和I／O設(shè)備是串行執(zhí)行的，CPU和I／O設(shè)備的速度不匹配導(dǎo)致CPU一直等待I／O讀寫結(jié)束而無(wú)法做其他作業(yè)。是否能讓CPU和I／O并發(fā)執(zhí)行呢？當(dāng)I／O讀寫一個(gè)程序時(shí)，CPU可以正常執(zhí)行另一個(gè)程序，這就需要將多個(gè)程序同時(shí)加載到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，從而出現(xiàn)了多道批處理操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)程序之間的切換。它既要管理程序，又要管理內(nèi)存，還要管理CPU調(diào)度，復(fù)雜程度迅速增加。（4）第四階段：分時(shí)操作系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代）

在批處理系統(tǒng)中，用戶編寫的程序只能交給別人運(yùn)行和處理，執(zhí)行結(jié)果也只能靠別人識(shí)別。這種對(duì)程序脫離監(jiān)管的狀態(tài)讓用戶無(wú)法接受。能否既讓使用者親自操作計(jì)算機(jī)，又能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序？這就是分時(shí)操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)給每個(gè)用戶分配有限的時(shí)間，只要時(shí)間片一到，就強(qiáng)行將CPU的使用權(quán)交給另一個(gè)程序。分時(shí)操作系統(tǒng)將機(jī)器等人轉(zhuǎn)變?yōu)槿说葯C(jī)器。如果時(shí)間片劃分合理，用戶就感覺(jué)好像自己在獨(dú)占計(jì)算機(jī)，而實(shí)質(zhì)上則是由操作系統(tǒng)以時(shí)間片方式協(xié)調(diào)多個(gè)用戶分享CPU。

分時(shí)操作系統(tǒng)最需要解決的難題是如何公平地分配和管理資源。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)、通信、死鎖、保護(hù)等一系列新功能，操作系統(tǒng)變得更復(fù)雜。（5）第五階段：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域。該領(lǐng)域的一個(gè)特殊要求就是計(jì)算機(jī)對(duì)各種操作必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，否則有可能導(dǎo)致不可預(yù)料的后果。為了滿足這些應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求，出現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指在所有任務(wù)都在規(guī)定時(shí)間內(nèi)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指在所有任務(wù)都在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成的操作系統(tǒng)。這里的“實(shí)時(shí)”并不表示反應(yīng)速度快，而是指反應(yīng)要滿足時(shí)序可預(yù)測(cè)性的要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)又分為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。這里的軟和硬指對(duì)時(shí)間約束的嚴(yán)格程度。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)得不到相應(yīng)的后果是可以承受的，軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限是一個(gè)柔性靈活的時(shí)限，失敗造成的后果并不嚴(yán)重，例如在網(wǎng)絡(luò)中超時(shí)失敗僅僅是降低了系統(tǒng)的吞吐量。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)剛性的不可改變的時(shí)間限制，超時(shí)失敗會(huì)帶來(lái)不可承受的災(zāi)難，如導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中最重要的任務(wù)是進(jìn)程或工作調(diào)度，只有精確、合理和及時(shí)的進(jìn)度才能保證響應(yīng)時(shí)間。另外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)可靠性和可用性要求也非常高。（6）第六階段：現(xiàn)代操作系統(tǒng)（20世紀(jì)80年代至今）

網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，觸發(fā)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的產(chǎn)生，兩者合稱為分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)的目的是將多臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，將一個(gè)復(fù)雜任務(wù)分化成若干簡(jiǎn)單子任務(wù)，分別讓多臺(tái)計(jì)算機(jī)并行執(zhí)行。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的區(qū)別在于前者是已有操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)功能，后者是從設(shè)計(jì)之初就考慮到多機(jī)共存問(wèn)題。2.3.4操作系統(tǒng)的種類

操作系統(tǒng)的種類繁多，依其功能和特性可分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等；依同時(shí)管理用戶數(shù)的多少可分為單用戶操作系統(tǒng)和多用戶操作系統(tǒng)；還有適合管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。通常操作系統(tǒng)有以下5類：（1）單用戶操作系統(tǒng)（SingleUserOperatingSystem）

單用戶操作系統(tǒng)的主要特征是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一次只能支持運(yùn)行一個(gè)用戶程序。這類系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源不能充分被利用。微型機(jī)的DOS、Windows操作系統(tǒng)屬于這一類。（2）批處理操作系統(tǒng)（BatchProcessingOperatingSystem）

批處理操作系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代運(yùn)行于大、中型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)由于單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)的CPU使用效率低，I／O設(shè)備資源未充分利用，因而產(chǎn)生了多道批處理系統(tǒng)，它主要運(yùn)行在大、中型機(jī)上。多道是指多個(gè)程序或多個(gè)作業(yè)（MultiProgramsorMultiJobs）同時(shí)存在和運(yùn)行，故也稱為多任務(wù)操作系統(tǒng)。IBM的DOS/VSE就是這類系統(tǒng)。（3）分時(shí)操作系統(tǒng)（Time-SharingOperatingSystem）

分時(shí)系統(tǒng)是一種具有如下特征的操作系統(tǒng)：在一臺(tái)計(jì)算機(jī)周圍掛上若干臺(tái)近程或遠(yuǎn)程終端，每個(gè)用戶可以在各自的終端上以交互的方式控制作業(yè)運(yùn)行。

在分時(shí)系統(tǒng)管理下，雖然各用戶使用的是同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但卻能給用戶一種“獨(dú)占計(jì)算機(jī)”的感覺(jué)。實(shí)際上是分時(shí)操作系統(tǒng)將CPU時(shí)間資源劃分成極短的時(shí)間片（毫秒量級(jí)），輪流分給每個(gè)終端用戶使用，當(dāng)一個(gè)用戶的時(shí)間片用完后，CPU就轉(zhuǎn)給另一個(gè)用戶，前一個(gè)用戶只能等待下一次輪到。由于人的思考、反應(yīng)和鍵入的速度通常比CPU的速度慢得多，所以只要同時(shí)上機(jī)的用戶不超過(guò)一定數(shù)量，人不會(huì)有延遲的感覺(jué)，好像每個(gè)用戶都獨(dú)占著計(jì)算機(jī)。

分時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：第一，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可充分利用計(jì)算機(jī)資源；第二，由于采用交互會(huì)話方式控制作業(yè)，用戶可以坐在終端前邊思考、邊調(diào)整、邊修改，從而大大縮短了解題周期；第三，分時(shí)系統(tǒng)的多個(gè)用戶間可以通過(guò)文件系統(tǒng)彼此交流數(shù)據(jù)和共享各種文件，在各自的終端上協(xié)同完成共同任務(wù)。分時(shí)操作系統(tǒng)是多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，UNIX是國(guó)際上最流行的分時(shí)操作系統(tǒng)。此外，UNIX具有網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能，也是廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。（4）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-TimeOperatingSystem）

在某些應(yīng)用領(lǐng)域，要求計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)能進(jìn)行迅速處理。例如，在自動(dòng)駕駛儀控制下飛行的飛機(jī)、導(dǎo)彈的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)及時(shí)、快速地進(jìn)行處理和反應(yīng)，以便達(dá)到控制的目的，否則就會(huì)失去戰(zhàn)機(jī)。這種有響應(yīng)時(shí)間要求的快速處理過(guò)程叫做實(shí)時(shí)處理過(guò)程。當(dāng)然，響應(yīng)的時(shí)間要求可長(zhǎng)可短，可以是秒、毫秒或微秒級(jí)的。對(duì)于這類實(shí)時(shí)處理過(guò)程，批處理系統(tǒng)或分時(shí)系統(tǒng)均無(wú)能為力了，因此產(chǎn)生了另一類操作系統(tǒng)——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)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(chǎn)過(guò)程控制，武器制導(dǎo)等各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；另一類是廣泛用于自動(dòng)訂購(gòu)飛機(jī)票、火車票系統(tǒng)，情報(bào)檢索系統(tǒng)，銀行業(yè)務(wù)系統(tǒng)，超級(jí)市場(chǎng)銷售系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。（5）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem）

網(wǎng)絡(luò)是將物理上分布（分散）的具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)起來(lái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在不同的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交換、網(wǎng)絡(luò)管理、資源共享、通信及系統(tǒng)安全等。它們都是按照各自的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

用戶可以突破地理?xiàng)l件的限制，方便地使用遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)資源。提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)資源共享功能的操作系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。2.3.5典型操作系統(tǒng)

典型的操作系統(tǒng)主要包括DOS操作系統(tǒng)、Windows操作系統(tǒng)、UNIX操作系統(tǒng)以及Linux操作系統(tǒng)。1、DOS操作系統(tǒng)DOS操作系統(tǒng)是一種單用戶、單任務(wù)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。DOS采用字符界面，必須輸入各種命令來(lái)操作計(jì)算機(jī)，不利于一般用戶操作計(jì)算機(jī)。2、Windows操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)是一種面向?qū)ο蟮膱D形界面，友好生動(dòng)的用戶界面，支持各種設(shè)備，支持即插即用技術(shù)，可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序。先進(jìn)的內(nèi)存管理，