操作系统概论

【操作系统：数字世界的隐形指挥官】 操作系统是计算机系统的核心，负责管理硬件、协调软件，为用户提供高效服务它具备四大特性：并发性、共享性、虚拟性和异步性，并通过进程管理、存储管理、文件管理和设备管理实现功能系统调用是用户与内核交互的桥梁，而中断机制则灵活响应突发事件从早期批处理到现代多任务系统，操作系统不断演进，成为计算机不可或缺的"大脑"。

操作系统概论

• 操作系统的定义、目标、地位和作用
  • 定义
    • 操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源（操作系统是系统资源的管理者），并合理的组织调度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。
  • 操作系统的地位
    • 操作系统是计算机系统的 “神经中枢”，是连接硬件、软件与用户的核心纽带，决定了计算机的可用性、效率和安全性。 1.硬件与软件的 “桥梁” 操作系统直接管理计算机的硬件资源（如 CPU、内存、磁盘、外设等），同时为上层软件（应用程序、其他系统软件）提供统一的接口。没有操作系统，应用程序无法直接与硬件交互，用户也难以高效使用计算机。 2.资源的管理者 它负责合理分配硬件资源（如 CPU 时间、内存空间、I/O 带宽），协调多任务、多用户的并发操作，避免冲突，最大化系统效率和资源利用率。 3.用户与计算机的 “接口” 操作系统通过图形界面（GUI）、命令行界面（CLI）等方式，为用户提供便捷的操作入口，屏蔽了底层硬件的复杂细节，让用户无需了解硬件原理即可使用计算机。 4.系统安全与稳定性的保障 它通过权限管理、内存隔离、进程保护等机制，防止恶意程序破坏系统或非法访问资源，同时处理软硬件错误（如死机、崩溃），维持系统稳定运行。 5.其他软件的运行基础 所有应用程序（如浏览器、Office、游戏）都必须在操作系统的支持下运行，依赖其提供的服务（如文件管理、网络通信、进程调度等）。
  • 操作系统的目标和作用
    • 目标
      • 有效性 合理分配和管理硬件资源（如 CPU、内存、I/O 设备），减少资源闲置和浪费，最大化系统吞吐量（单位时间内处理的任务量），提升整体运行效率。例如，通过进程调度算法让 CPU 始终处于忙碌状态，通过内存管理减少空间碎片。 方便性 为用户和应用程序提供简洁的交互接口，屏蔽底层硬件的复杂细节。用户无需了解硬件原理（如磁盘读写机制、CPU 指令集），只需通过图形界面（GUI）或命令行（CLI）即可操作计算机；应用程序则通过系统调用（如文件读写、网络通信）获取服务，降低开发难度。 可扩展性 支持新硬件、新功能的集成，适应技术发展（如新增外设、引入虚拟化、分布式计算等）。现代操作系统（如 Linux、Windows）通过模块化设计，允许开发者添加驱动程序、插件或扩展模块，无需重构整个系统。 开放性 遵循标准化接口和协议（如 POSIX 标准），支持不同软硬件的兼容与互联。例如，基于开源协议的 Linux 系统可在多种架构的芯片（x86、ARM 等）上运行，且能与其他系统（如 Windows、macOS）通过网络协同工作。 可靠性与安全性 保障系统稳定运行，防止软硬件故障（如死机、崩溃）导致的数据丢失；同时通过权限管理、加密、防火墙等机制，抵御恶意攻击（如病毒、非法访问），保护用户数据和系统资源。
    • 作用
      • 操作系统的目标是高效、易用、可靠、可扩展，而其作用则围绕 “管理资源、连接用户与硬件、协调系统运行” 展开，是计算机系统不可或缺的核心组件，决定了整个系统的性能、安全性和可用性。 资源管理者 这是操作系统最基本的作用，包括对各类硬件和软件资源的管理： 处理机管理：通过进程调度算法（如优先级调度、时间片轮转）分配 CPU 时间，协调多进程并发执行，避免冲突。 内存管理：负责内存的分配、回收和保护，通过虚拟内存技术扩展可用空间，防止进程非法访问其他内存区域。 设备管理：控制 I/O 设备（如磁盘、键盘、网卡）的操作，提供设备驱动程序接口，实现设备的高效共享（如打印机队列）。 文件管理：管理磁盘上的文件和目录，提供创建、删除、读写、权限控制等功能，组织数据的存储与检索。 用户与计算机的接口 操作系统是用户与计算机硬件之间的 “中间人”，提供两种主要接口： 用户接口：如图形界面（Windows 的桌面、macOS 的 Dock 栏）、命令行（Linux 的 bash、Windows 的 PowerShell），让用户可直观操作计算机。 程序接口（系统调用）：为应用程序提供一组标准化函数（如open()、fork()），使其能请求操作系统服务（如访问硬件、创建进程）。 进程协调者 在多任务或多用户环境中，操作系统负责协调进程间的关系，解决资源竞争问题。例如，通过同步机制（如信号量、锁）避免多个进程同时修改同一文件，通过通信机制（如管道、消息队列）实现进程间的数据交换。 系统扩展与演化的支撑 操作系统通过模块化架构和标准化接口，为新功能（如云计算、人工智能加速）的集成提供基础。例如，Linux 的内核模块机制允许动态加载驱动程序，无需重启系统；Windows 的 WSL（Windows 子系统 for Linux）则通过兼容层扩展了系统对 Linux 应用的支持。
  • 计算机硬件结构
  • 计算机三大抽象
• 操作系统发展过程
  • 1946--1957
    • 电子管计算机
      • 无操作系统，手工操作
        • 特点：1.用户独占计算机资源 2.人工操作多，易出错，浪费时间 3.计算机处理能力的提高，手工操作的效率低（造成浪费）
  • 1985--1963
    • 晶体管计算机
      • 单道批处理系统（执行系统或管理程序）
        • 特点：1.解决人工操作所带来的效率低下等问题 2.缩短作业执行时间和建立时间，减少人工干预 缺点：计算机中的资源得不到充分的利用；对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲。
  • 1964--1971
    • 集成电路计算机
      • 多道批处理系统
        • 优点：计算机资源利用率高（CPU、内存、I/O）；系统吞吐量大。 缺点：平均周转时间长；用户与系统无交互能力；行命令控制方式。
  • 1971--至今
    • 大规模集成电路计算机
      • 分时操作系统
        • 特点：人机交互性好：在调试和运行程序是由用户自己操作 共享主机：多个用户同时使用 用户独立性：对每个用户而言似乎独占计算机
      • 实时操作系统
        • 特点：用于工业过程控制、军事实时控制、金融领域等 包括实时控制，实时信息处理 响应时间短，系统可靠性高
• 操作系统的基本特性
  • 并发性
    • 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
      • 子主题
    • 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，并行性并不是操作系统基本特性，这里是指出两者不同之处
      • 子主题
  • 共享性
    • 互斥共享 （独占资源访问）
      • 一段时间内，只允许一个进程访问该资源（如打印机、摄像头等“临界资源”）
    • 同时访问 （透明资源共享）
      • 允许在一段时间内由多个进程“同时”对他们进行访问（如磁盘设备的访问）
  • 虚拟性
    • 定义：是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理试题（前者）是实际存在的，二逻辑上对应物（后者）使用户感受到的
    • 时分复用技术 （多道程序技术）
      • 充分利用时间，并发执行多个程序
        • 虚拟处理技术，虚拟设备
    • 空分复用技术
      • 利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他多道程序，提高内存利用率
        • 虚拟存储技术
  • 异步性
    • 定义：又称随机性，在多道程序环境中允许多个程序并发执行，并发活动会导致随机事件的发生，由于资源有限而程序众多，每个程序的执行并非连贯的，而是“走走停停“，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
      • 异步性会给系统带来潜在危险，有可能导致并发程序的执行产生与时间有关的错误。因此操作系统会采用合理的进程同步机制来解决异步性的问题。
• 操作系统的主要功能
  • 进程管理/处理器管理
    • 管理目标：完成处理机资源的分配调度等功能。（处理机调度的单位可为进程或线程）
  • 存储管理
    • 管理目标：提高存储利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便程序并发运行
  • 设备管理
    • 方便设备的使用、提高CPU与I/O设备利用率
  • 文件管理
    • 解决软件资源的存储、共享、保密和保护
• 中断
  • 定义：中断是CPU对突发的外部事件的反应过程或机制
    • 程序在执行的过程中，遇到继续处理的事件时，暂时终止当前在CPU上运行的程序，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原来工作的中断处（断点）或调度其他程序执行
  • 中断分类
    • 外中断（中断）
      • 可屏蔽中断
        • 时钟中断
        • I/O中断请求
      • 非屏蔽中断
        • 设备硬件故障
    • 内中断（异常/陷入）
      • 访管中断
        • 系统调用（使用访管指令、陷入指令）
      • 硬件故障
        • CPU、内存硬件故障
      • 程序性异常
        • 地址越界
        • 除零
        • 缺页
    • 中断处理过程图
  • 中断服务程序在哪里
    • 在实模式下，Intel的CPU把从0开始的1k字节地址空间作为中断向量表。中断向量表的每个表项为4Byte，因此共256个中断向量，其中前32个保留，每个表项的低2Byte存储偏移地址，高2Byte存储段基址，这样构成的地址就是中断处理程序的入口地址。
  • 多个中断一起来的时候怎么办
    • 在计算机系统运行过程中可能出现多个中断，或者前一个中断尚未结束接着又发生新的中断，于是CPU暂停正在运行的中断程序，转而执行新的中断处理程序，这就是多重中断或中断嵌套
• 系统调用
  • 分类
    • 进程管理
      • 创建和撤销进程；终止进程；阻塞、唤醒、挂起、激活进程；获取和设置进程属性等。
    • 文件操作
      • 建立、删除、打开、关闭文件；读写文件；显示文件和目录内容；显示和设置文件属性等。
    • 设备管理
      • 申请、释放设备；I/O操作和重定向；获得和设置设备属性；控制和检查设备状态等。
    • 主存管理
      • 申请、释放主存；增加减少主存等。
    • 进程通信
      • 建立、断开通信连接；发送、接收消息；传送状态信息；连接、断开远程设备等。
    • 信息维护
      • 获取、设置日期以及时间；获取、设置系统数据；生成诊断和统计数据等
  • 调用过程
    • 调用过程图
    • 调用过程图
    • 传参（eax）、陷入指令/Trap/访管（int0x80）、由操作系统内核程序处理系统调用请求、返回引用程序
  • 系统调用与库函数的区别
    • 有的库函数是对系统调用的进一步封装
    • 有的库函数没有使用系统调用
• 操作系统结构设计
  • 分类
    • 传统操作系统
      • 单体式结构
        • 单体式结构也称为整体式结构，也就是把模块作为操作系统的基本单位，根据功能把操作系统分解成若干模块，模块还可以细分为子模块，每个子模块具有一定的独立功能，若干关联模块协作完成某项功能。
          • 单体式结构示意图
      • 层次结构
        • 层次结构把操作系统划分为若干模块，这些模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间必须是单向依赖或单向调用关系（即底层为高层服务，高层可调用底层的功能，反之则不行）。
      • 虚拟机结构
        • 虚拟机结构操作系统的最早尝试是IBM公司的VM/370.它通过虚拟机控制程序CP虚拟出若干太物理计算机的逻辑复制品（包含内核/用户态、中断、CPU、I/O设备、内存、外存等）。
    • 现代操作系统
      • 内核结构（客户--服务器结构）
        • 现代操作系统的一个趋势是从操作系统中去掉尽可能多的东西，只留下一个最小的内核，将大多数操作系统的功能放到内核之外，由在用户态运行的服务器进程完成。在这样的结构下，用户进程称之为客户进程和服务器进程就构成了客户--服务器结构，通过内核所提供的消息传递机制完成进程间通信。
        • 内核是一组程序模块，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作。通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有直接访问硬件设备和所有内存空间的权限，是仅有的能够执行特权指令的程序。
          • 内核的类别
            • 宏内核（如MINIX OS、Windows 2000以后、Mac）
              • 宏内核示意图
            • 微内核（UNIX、Linux、Windows 9x等 ）
              • 微内核示意图
          • 内核基本功能
            • 中断处理
              • 中断处理室内和最基本的功能，也是操作系统赖以活动
            • 时钟管理
              • 操作系统中的许多活动都需要时钟的支持
            • 进程调度
              • 按一定的策略管理处理器的分配并保存或恢复现场
            • 原语管理
              • 原语是内核中实现特定功能的不可中断过程
          • 内核的属性
            • 内核是由中断驱动的
            • 内核不可抢占/可抢占
            • 内核可以在屏蔽中断的情况下执行
            • 内核可以使用特权指令
• 唯一一个主动中断的方式