多道程序设计和分时系统

我们已讨论了计算机系统的基本组成和体系结构，现在讨论操作系统。操作系统为执行程序而提供环境。操作系统可以通过许多不同方式来构建，因此内部组织差异很大。不过，它们也有许多共同点，这里将会加以讨论。

多道程序设计（multiprogramming）

操作系统最重要的一点是具有多道程序能力。一般来说，单个程序并不能让 CPU 和 I/O 设备始终忙碌。单个用户通常具有多个运行程序。多道程序设计（multiprogramming）通过安排作业（编码与数据）使得 CPU 总有一个执行作业，从而提高 CPU 利用率。

操作系统在内存中同时保存多个任务（图 1）。由于主存太小不能容纳所有作业，因此这些作业首先保存在磁盘的作业池（job pool）上。该作业池包括磁盘上的、等待分配内存的所有进程。
内存的作业集为作业池的作业集的一个子集。从内存的作业集中，操作系统可以选择执行一个作业。最终，该作业可能需要等待某个任务，如 I/O 操作的完成。对于非多道程序系统，CPU 就会空闲；而对于多道程序系统，CPU 就会简单切换到另一个作业，以便执行。当该作业需要等待时，CPU 会切换到另一个作业，等等。最终，第一个作业完成等待并重新获得 CPU。只要有一个任务可以执行，CPU 就不会空闲。

这种做法在日常生活中也常见。例如，一个律师在一段时间内不只为一个客户工作。当一个案件需要等待审判或需要准备文件时，该律师可以处理另一个案件。如果有足够多的客户，那么他就决不会因没有工作要做而空闲。

多道程序系统提供了一个环境，以便充分使用各种系统资源（如 CPU、内存、外设），但是没有提供用户与计算机系统的交互。分时系统（time sharing）（或多任务（multitasking））是多道程序设计的自然延伸。对于分时系统，虽然 CPU 还是通过切换作业来执行多个作业，但是由于切换频率很高，用户可以在程序运行时与其交互。

分时系统（time sharing）

分时系统要求计算机系统是可交互（interactive）的，以便用户与系统直接通信。用户通过输入设备，如键盘、鼠标、触摸板、触摸屏等向操作系统或程序发出指令，并等待输出设备的即时结果。相应地，响应时间（response time）应当较短，通常小于 1 秒。

分时操作系统允许许多用户同时共享一台计算机。由于分时系统的每个动作或命令往往较短，因而每个用户只需少量 CPU 时间。随着系统从一个用户快速切换到另一个用户，每个用户都会感到整个系统只为自己所用，尽管它事实上为许多用户所共享。

分时操作系统采用 CPU 调度和多道程序设计，为每个用户提供一小部分的分时计算机资源。每个用户至少有一个程序在内存中。加载到内存并执行的程序，通常称为进程（process）。当进程执行时，它通常在执行较短的一段时间后，要么完成，要么需要进行 I/O 操作。

I/O 可以是交互的，即输出是到用户显示器，输入来自用户键盘、鼠标或其他设备。由于交互 I/O 通常按人类速度（people speed）来进行，因此可能需要很长时间完成。例如，输入通常受限于用户打字速度，每秒 7 个字符对人类来说可能很快，但是对计算机来说太慢了。在用户进行交互输入时，操作系统为了不让 CPU 空闲，会将 CPU 切换到其他用户程序。

分时系统和多道程序需要在内存中同时保存多个作业。如果有多个作业可以加载到内 存，同时内存太小而不能容纳所有这些作业，那么系统就应做出选择（这个决定涉及作业调度（job scheduling），将在后续章节中介绍）。操作系统从作业池中选中一个作业，并将它调入内存以便执行。内存同时保存多个程序，这需要一定形式的内存管理。

另外，如果有多个任务同时等待执行，那么系统应当做出选择。做出这样的决策称为 CPU 调度（CPU scheduling）。最后，在多个作业并发执行时，操作系统的各个阶段，如进程调度、磁盘和内存管理，应能限制作业之间的互相影响。这些讨论贯穿本教程。

对于分时系统，操作系统必须确保合理的响应时间。这有时可以通过交换（swapping）来得到，交换可将进程从磁盘调入内存，也可将进程从内存调到磁盘。不过，虚拟内存（virtual memory）是实现合理响应时间的更为常用的一种方法，虚拟内存允许一个执行作业不必完全在内存中。

虚拟内存的主要优点是，用户可执行比物理内存（physical memory）大的程序。再者，它将内存抽象成一个庞大的、统一的存储数组，将用户理解的逻辑内存（logical memory）与真正的物理内存区分幵来。这种安排使得程序员不受内存空间的限制。

分时系统也应提供文件系统。文件系统驻留在一组磁盘上，因此 也应提供磁盘管理。另外，分时系统需要提供机制，以便保护资源并防止不当使用。为了确保有序执行，系统必须提供机制，以便实现作业的同步和通信；它也可确保作业不会进入死锁，进而永远互相等待。