操作系统的四个基本特征

并发、共享、虚拟、异步不是四条孤立定义。它们共同回答：多个程序如何在有限且速度不同的硬件上推进，并让每个程序获得相对独立、可理解的运行环境。

1. 并发与并行

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。单核 CPU 可通过快速交替让多个进程并发推进。
并行：两个或多个事件在同一时刻发生，需要能同时工作的执行部件。

单核系统中两个 CPU 密集进程可以并发，不能在 CPU 上并行；但 CPU 执行进程 A 时，磁盘控制器可为进程 B 传输数据，因此处理机与设备仍可能并行。多核也不等于所有任务都能并行，若任务受同一把互斥锁约束，临界区仍只能串行。

2. 共享及两种方式

共享是系统中的资源可供多个并发进程共同使用。

互斥共享：一段时间内只允许一个进程占用，例如未做虚拟化的独占设备、临界区中的共享数据。
同时共享：一段时间内允许多个进程访问。宏观同时不保证物理同刻，例如多个进程交替读取磁盘；只读代码页则可能在物理上同时被多个核访问。

判断共享方式不能只看资源名称，要看资源的具体使用模式。磁盘可以接受多个进程的请求，但控制器会调度具体访问；同一文件也可能允许并发读，却对写操作施加同步约束。

并发和共享互为存在条件：没有并发，资源无需在同一时间段服务多个活动；没有安全共享，并发进程就无法共同使用有限硬件和数据结构。

3. 虚拟：从一个物理实体得到多个逻辑对应物

虚拟不是“假的”，而是通过管理与映射提供不同于物理形态的逻辑视图。

时分复用：把处理器时间切成片段，形成每个进程仿佛拥有独立 CPU 的虚拟处理机。
空分复用及映射：虚拟存储把逻辑地址空间映射到物理内存与外存，使每个进程看到独立、连续的地址空间。

虚拟性的前提是并发。若始终只有一个程序独占机器，就没有必要把一个物理 CPU 在多个活动之间复用。虚拟还必须配合保护：如果不同进程的“独立地址空间”可以任意互相写入，这个抽象就失效了。

4. 异步：推进速度不可预知，但结果应受约束

进程以不可预知的速度向前推进，称为异步性。原因包括调度时机、I/O 完成时间、中断到达和其他进程竞争。异步不等于系统可以产生任意结果。正确的同步机制必须让允许的结果满足不变量，例如互斥区内最多一个进程、生产者不会覆盖尚未消费的数据。

下面模拟单核时间片轮转。输出体现“宏观并发、微观交替”；改变时间片会改变交替顺序和响应时间，但每个任务总工作量不变。

from collections import deque

ready = deque([["A", 7], ["B", 5]])
quantum = 2
clock = 0
while ready:
    name, remain = ready.popleft()
    run = min(quantum, remain)
    print(f"{clock:2d}-{clock + run:2d}: {name}")
    clock += run
    remain -= run
    if remain:
        ready.append([name, remain])

5. 代表性推演

进程 A、B 在单核上运行，时间片为 4 ms，二者都始终占满时间片。前 16 ms 的执行为 A(0–4)、B(4–8)、A(8–12)、B(12–16)。两进程是并发而非并行；发生三次任务切换；CPU 与正在处理上一次请求的磁盘仍可能并行。

若 A 和 B 都向同一日志文件追加记录，最终行序可能随调度变化，这体现异步；但每一行不能被写成半行交叉数据，这是同步与文件系统必须维护的正确性约束。

课内练习

单核 CPU 上两个进程是否可能并行？CPU 与磁盘是否可能并行？
答案：前者在 CPU 上不能并行，只能并发；后者由独立部件工作，可以并行。
两个进程都能读取同一文件，能否直接断定“同时共享”？
答案：不能只凭资源名称；要看访问是否允许重叠、底层是否交替及是否涉及写同步。
异步是否意味着同一程序每次都可以输出任意值？
答案：不是。时序可能变化，但同步和程序逻辑应把结果约束在正确集合内。

验收

给出一个真实场景，同时指出并发、共享、虚拟和异步分别落在哪个对象上，并说明至少一个必须维持的不变量。能够区分“同一时间间隔”和“同一时刻”，才算通过。

1.1.2 操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步