第三课：操作系统的四大特征

这一课只有四个词：

并发（Concurrency）

共享（Sharing）

虚拟（Virtualization）

异步（Asynchronism）

很多教材直接给定义，学生就开始背。

我们不背，我们先讲一个故事。

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一台电脑的一天

假设你正在使用电脑：

浏览器（看B站）

↓

QQ聊天

↓

网易云音乐

↓

下载一个游戏

↓

Word写论文

请问：

电脑里是不是有五个程序？

答案：

是。

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再问一个问题：

CPU有几个？

假设：

CPU：

只有一个核心。

那么：

一个CPU怎么可能同时运行五个程序？

这里就引出了第一个特征。

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第一大特征：并发（★★★★★）

很多同学第一眼就觉得：

并发 = 同时运行。

其实：

不完全正确。

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举一个例子

假设CPU每秒可以执行几十亿条指令。

操作系统安排它这样工作：

0~10ms

浏览器

↓

10~20ms

QQ

↓

20~30ms

音乐

↓

30~40ms

下载

↓

40~50ms

Word

↓

50~60ms

浏览器……

注意：

CPU任何一个时刻：

实际上：

只运行一个程序。

但是：

因为切换速度：

0.01秒

太快了。

于是：

你的眼睛看到的是：

浏览器一直播放

QQ一直在线

音乐一直响

游戏下载中

Word还能打字

是不是感觉：

五个一起运行？

实际上：

没有。

CPU是在：

快速切换。

这就叫：

并发（Concurrency）。

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并发 ≠ 并行

这是考试最喜欢考的。

很多同学分不清。

我们画图。

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并发（一个CPU）

CPU

↓

A

↓

B

↓

C

↓

A

↓

B

↓

C

只有一个人在干活。

只是：

不停切换。

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并行（多个CPU）

CPU1

↓

A

CPU2

↓

B

CPU3

↓

C

三个CPU：

真的一起运行。

这叫：

并行（Parallelism）

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一个生活例子

只有一个老师。

面对三个学生。

老师：

回答A一分钟

↓

回答B一分钟

↓

回答C一分钟

↓

再回来回答A

大家都会觉得：

老师一直在陪自己。

这就是：

并发。

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如果：

三个老师。

每人负责一个学生。

这就是：

并行。

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一句话记忆

并发：

一个CPU

多个任务

快速切换

看起来一起执行

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第二大特征：共享（★★★★★）

有一个问题。

电脑里：

QQ

Word

浏览器

都想：

打印。

但是：

打印机：

只有一个。

怎么办？

如果没有管理。

三个程序：

一起打印。

最后打印出来：

QQ第一页

Word第一页

QQ第二页

浏览器第一页

Word第二页

乱了。

所以：

必须有人安排：

QQ先打印。

↓

Word等待。

↓

QQ结束。

↓

浏览器开始。

这个安排的人：

就是：

操作系统。

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什么叫共享？

一句话：

多个程序共同使用同一个资源。

例如：

CPU

内存

打印机

磁盘

网卡

都是：

共享资源。

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共享分两种

教材喜欢考。

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① 互斥共享

例如：

打印机。

一次：

只能一个程序使用。

QQ打印

↓

Word等待

↓

浏览器等待

这种：

叫：

互斥共享。

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② 同时共享

例如：

硬盘。

QQ：

读一个文件。

浏览器：

读一个网页。

音乐：

读MP3。

因为：

读取速度非常快。

大家几乎可以：

一起读。

叫：

同时共享。

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第三个特征：虚拟（★★★★★）

这是最难理解的。

我们先看一个问题。

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你的电脑：

内存：

8GB

但是：

你打开：

浏览器

QQ

微信

IDE

PS

Office

加起来：

可能需要：

20GB。

为什么还能运行？

这里：

就是：

虚拟。

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操作系统"骗人"

它告诉每个程序：

浏览器：

这些内存都是你的。

又告诉QQ：

这些也是你的。

实际上：

不是。

操作系统：

不断地：

搬来搬去。

换来换去。

调来调去。

于是：

每个程序都觉得：

整个电脑都是我的。

这叫：

虚拟内存。

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再举一个例子

假设：

一家酒店。

只有：

100个房间。

今天来了：

1000位客人。

老板怎么办？

他说：

今天不住的人

先去大厅。

以后再入住。

于是：

1000个人都能办理入住。

虽然：

真正住进去：

只有100人。

是不是一种：

“假象”？

这就是：

虚拟。

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虚拟不仅仅是内存

以后会学：

虚拟CPU

↓

虚拟内存

↓

虚拟设备

本质：

都是：

让用户感觉资源比实际更多、更独立。

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第四个特征：异步（★★★★★）

假设：

有三个程序：

QQ

浏览器

下载

操作系统：

不知道：

下一秒：

谁先结束。

为什么？

因为：

每个程序：

执行速度：

都不同。

例如：

QQ：

收消息

↓

等待

浏览器：

不停计算

下载：

网络不好

速度忽快忽慢

所以：

程序完成时间：

不是固定的。

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举个生活例子

三个人做作业。

小明：

10分钟。

小红：

30分钟。

小刚：

5分钟。

老师：

不知道：

谁先交。

因为：

速度不同。

这就是：

异步。

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为什么叫异步？

同步：

大家一起走。

例如：

123

开始！

异步：

有人快。

有人慢。

没人知道：

什么时候结束。

操作系统：

只能：

不断调度。

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四个特征之间的关系（考试很喜欢）

很多人觉得：

四个特征：

互相没关系。

其实：

关系特别大。

并发
        │
        │
  导致多个程序
        │
        ▼
       共享
大家一起用CPU和设备
        │
        ▼
      需要协调
        │
        ▼
       异步
每个程序运行速度不同
        │
        ▼
     为了提升体验
        │
        ▼
       虚拟

也就是说：

• 有了并发 ，多个程序会争抢资源。
• 资源需要共享 ，就必须管理访问顺序。
• 每个程序执行速度不同 ，于是表现为异步。
• 为了让用户觉得资源充足、程序互不影响 ，操作系统提供虚拟化。

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本章一句话总结

如果你只能记一句：

操作系统通过"并发"运行多个程序，通过"共享"管理资源，通过"虚拟"让资源看起来更多，通过"异步"适应程序运行速度的不确定性。