考研笔记

操作系统的特征

操作系统有四个基本特征：并发、共享、虚拟、异步。

四者不是并列的四条性质，而是有依赖关系的：并发与共享是两个最基本的特征，且互为存在条件；虚拟与异步都建立在它们之上。理解这个依赖关系，比记住四个定义重要得多。

机制

并发

并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

关键在”时间间隔”三个字，它与”同一时刻”是完全不同的。单核 CPU 在任一时刻只能执行一个程序，但操作系统可以让多个程序在一段时间内交替推进，宏观上看它们都在”同时”运行。

操作系统的并发性靠多道程序设计技术实现——内存中同时存放多道程序，它们轮流占用 CPU。

并发是操作系统一切复杂性的源头：进程这个概念是为管理并发而发明的，同步与互斥是为协调并发而存在的，死锁是并发的副作用。没有并发，操作系统会简单得多，也没什么用。

共享

共享（资源共享）指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。 它有两种方式：

互斥共享方式——一段时间内只允许一个进程访问该资源。这类资源称为临界资源（或独占资源），例如摄像头、打印机。注意”一段时间内”：不是一个进程用完这台打印机就永远归它，而是在它使用期间别人不能插入。

同时访问方式——允许一段时间内多个进程”同时”访问该资源。这里的”同时”是宏观上的，微观上这些进程可能仍是交替访问的。典型例子是磁盘——多个进程可以同时读同一个文件。

为什么磁盘能同时访问而打印机不能，理由在 5.1.1：磁盘可寻址，各进程能各自记住自己的读写位置、互不影响；而打印机的输出是一条不可分割的流，两个进程交替输出会把内容搅成一团。

虚拟

虚拟指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。 物理实体是实际存在的，逻辑上的对应物是用户感受到的。

实现虚拟有两类技术：

时分复用技术——把一段时间切分给多个对象轮流使用。典型是虚拟处理器：一个 CPU 通过分时，让每个用户感觉自己独占了一台处理机。

空分复用技术——把一个空间划分给多个对象使用。典型是**虚拟存储器**：用外存扩充内存，让用户感觉内存比实际大得多。

本课程中”虚拟”这个词出现过多次，都是同一个套路：虚拟设备（SPOOLing）把一台打印机虚拟成多台，虚拟内存把有限的内存虚拟成很大的地址空间。它们全都是”用一个物理实体冒充多个逻辑实体”。

异步

异步指在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。

“不可预知”是这个特征的核心。 一个进程什么时候被剥夺 CPU、什么时候等到它要的资源，取决于当时系统里还有哪些进程、它们在干什么，这些都不由该进程自己决定。

异步性带来的直接后果是：程序的执行结果不能依赖于执行速度。 若两个并发进程的正确性依赖于”谁先跑完”，那么它在这次运行中正确，下次就可能出错。这正是必须引入同步机制的根本原因——同步的作用就是把”不可预知”变回”可控”。

边界

并发不等于并行

这是本章最高频的一对，判据是”同一时间间隔”还是”同一时刻”。

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上同时，微观上可能交替。

并行：两个或多个事件在同一时刻发生。必须有多个执行部件（多核、多处理机）才可能。

关键结论：单核 CPU 上可以并发，但不能并行。 反过来，并行必然意味着并发（同一时刻发生，当然也在同一时间间隔内发生）。

这条辨析在后面反复出现：共享设备”宏观上同时、微观上交替”、多线程模型能否利用多核，用的都是同一个判据。

并发与共享互为存在条件

这是本节唯一需要论证而非记忆的结论，也是”为什么这两个最基本”的答案。

若失去并发性，共享就失去了意义。 系统中只有一个程序在运行，资源本来就全归它，“共享”这个词无从谈起。

若失去共享性，并发也无法进行。 多个程序并发执行，必然要用到内存、CPU、设备——若资源不能被它们共同使用，就只能一个跑完再跑下一个，那就退回到串行了。

两句话合起来：并发需要共享作为前提，共享需要并发才有意义。这就是”互为存在条件”的确切含义。

而虚拟和异步都是它们的产物：虚拟是把资源分给多个并发进程用（需要并发和共享）；异步是并发进程争抢有限资源的必然结果（需要并发和共享）。所以四个特征的依赖关系是：并发 ⇄ 共享 → 虚拟、异步。

互斥共享中的”一段时间内”

这个限定词常被抽掉，抽掉之后说法就错了。

准确表述是”一段时间内只允许一个进程访问”，而不是”只允许一个进程访问”。 打印机在进程 A 打印期间不能给 B，但 A 打完之后当然可以给 B。

若说成”只允许一个进程访问”，就变成”这台打印机永远只归一个进程”了，那不叫共享，叫独占分配。

虚拟的两种复用不要记反

判据是”切分的是时间还是空间”：

时分复用切的是时间——一个 CPU 被切成许多时间片轮流给不同进程，产物是虚拟处理器。

空分复用切的是空间——内存（连同外存）被划分给多个进程，产物是虚拟存储器。

一个记法：处理器是”用的时候才占用”的资源，所以按时间切；存储器是”一直占着”的资源，所以按空间切。

对照速查

特征定义关键限定
并发两个或多个事件在同一时间间隔内发生不是”同一时刻”
共享资源可供多个并发进程共同使用分互斥共享与同时访问
虚拟把一个物理实体变为若干逻辑对应物时分复用 / 空分复用
异步进程走走停停，以不可预知的速度推进不可预知是核心
并发并行
时间同一时间间隔同一时刻
单核能否能不能
关系—并行必然并发，反之不然
共享的两种方式含义例子
互斥共享一段时间内只允许一个进程访问（临界资源）打印机、摄像头
同时访问宏观上多个进程同时访问，微观上可能交替磁盘
虚拟的两种技术切什么产物
时分复用时间虚拟处理器
空分复用空间虚拟存储器
四个特征的依赖关系
并发 ⇄ 共享两个最基本的特征，互为存在条件
虚拟、异步建立在并发与共享之上

考点

  • 并发是”同一时间间隔”，并行是”同一时刻”；单核能并发不能并行
  • 并发与共享互为存在条件，且要能说出两个方向的理由
  • 虚拟与异步建立在并发与共享之上
  • 互斥共享的限定是”一段时间内”，抽掉就错
  • 临界资源 = 只能互斥共享的资源
  • 时分复用 → 虚拟处理器；空分复用 → 虚拟存储器
  • 异步的核心是”不可预知”，它是必须引入同步机制的根本原因

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