操作系统概述-计算机操作系统 第1章

操作系统（Operating System， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地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。

第一章 操作系统概述 计算机操作系统 王道考研系列

• 操作系统的基本概念
  • 概念（定义）
    • 操作系统（Operating System， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地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
      • 操作系统是系统资源的管理者
      • 向上层提供方便易用的服务
      • 是最接近硬件的一层软件
  • 功能和目标
    • 资源的管理者
      • 处理机管理
      • 存储器管理
      • 文件管理
      • 设备管理
    • 向上层提供服务
      • 给普通用户用的
        • GUI用户图形界面
          • 如Windows、安卓、ios的图形化操作界面
        • 命令接口
          • 用户可直接使用
          • 联机命令接口（交互式命令接口）
            • 特点：用户说一句，系统跟着做一句
          • 脱机命令接口（批处理命令接口）
            • 特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
      • 给软件/程序员用的
        • 程序接口
          • 即“系统调用（广义指令）”，用户通过程序间接使用
    • 对硬件机器的拓展
      • 扩充机器
      • 没有任何软件支持的计算机称为裸机
      • 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机
    • 目标
      • 安全，高效
  • 特征
    • 并发
      • 并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的
      • 并行：指两个或多个时间在同一时刻发生
      • 操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上是同时运行着的，而微观上是交替运行的
      • 操作系统和程序并发是一起诞生的
      • 重要考点
        • 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
        • 多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行
      • 注意区分
    • 共享
      • 共享即资源共享，是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
      • 互斥共享方式
        • 系统中的某些资源,虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
      • 同时共享方式
        • 系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
    • 虚拟
      • 虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，物理实体是实际存在的，而逻辑对应物是用户感受到的
    • 异步
      • 异步是指，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，二十走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性
    • 重要考点
      • 理解并发和并行的区别
      • 并发和共享互为存在条件
      • 没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征
    • 两个最基本的特征，二者互为存在条件
  • 发展和分类
    • 手工操作阶段
      • 主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低
    • 批处理阶段
      • 单道批处理阶段
        • 引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入输出
        • 主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升
        • 主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成，资源利用率依然很低
      • 多道批处理阶段（操作系统开始出现）
        • 每次往内存中读入多道程序
        • 操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行
        • 主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大
        • 主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）
    • 分时操作系统
      • 计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互
      • 主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在
      • 主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性
    • 实时操作系统
      • 主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队
      • 在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。
      • 实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
      • 硬实时系统
        • 必须在绝对严格的规定时间内完成处理
      • 软实时系统
        • 能接收偶尔违反时间规定
    • 网络操作系统
    • 分布式操作系统
    • 个人计算机操作系统
    • 简要了解
• 操作系统运行环境
  • 运行机制
    • 简单了解程序的运行原理
      • 高级语言编写代码→机器指令
      • 程序运行的过程就是CPU执行一条一条的机器指令的过程
    • 两种程序
      • 内核程序
        • 实现操作系统所写的程序
        • 很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核”
        • 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
        • 操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”
      • 应用程序
        • 普通程序员写的程序
    • 两种指令
      • 在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型
      • 特权指令
        • 只允许“管理者”，即操作系统内核来使用的指令
        • Eg：内存清零指令
      • 非特权指令
        • Eg：加法指令，减法指令
    • 两种处理器状态
      • 内核态/核心态/管态
        • 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
      • 用户态/目态
        • 处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
      • CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有一个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”
      • 如何变态？
        • 内核态→用户态
          • 执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
        • 用户态→内核态
          • 由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
          • 除了非法使用特权指令之外,还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方,都会触发中断信号
  • 中断和异常
    • 中断的作用
      • “中断”是让操作系统内核强行夺回CPU的控制权的唯一途径
      • “中断”会使CPU从用户态变为内核态，使操作系统重新夺回CPU的控制权
    • 中断的类型（广义的中断）
      • 内中断（也称“异常”）
        • 与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
        • 陷阱、陷入(trap)
          • 应用程序想请求操作系统内核的一些服务需要发出一条陷入指令(trap)
        • 故障(fault)
          • 由错误条件引起的,可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序,让它继续执行下去。如:缺页故障。
        • 终止(abort)
          • 由致命错误引起内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序,而是直接终止该应用程序。如:整数除0、非法使用特权指令
      • 外中断（狭义的中断）
        • 与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
        • 时钟中断
        • I/O中断请求
    • 中断机制的基本原理
      • 检查中断信号
        • 内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生
        • 外中断：每个指令周期末尾CPU都会查是否有外中断信号需要处理
      • 找到相应的中断处理程序
        • 通过“中断向量表”实现
  • 系统调用
    • 什么是系统调用？
      • “系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
    • 系统调用与库函数的区别
    • 什么功能要用系统调用实现？
      • 设备管理
        • 完成设备的请求/释放/启动等功能
      • 文件管理
        • 完成文件的读/写/创建/删除等功能
      • 进程控制
        • 完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
      • 进程通信
        • 完成进程之间的消息传递/信号传递等功能
      • 内存管理
        • 完成内存的分配/回收等功能
      • 凡是与共享资源有关的操作、会直接影响到其他进程的操作,就一定需要操作系统介入，就需要通过系统调用来实现
    • 系统调用的过程
      • 传参
      • 陷入指令/Trap/访管
      • 由操作系统内核程序处理系统调用请求
      • 返回应用程序
      • 一些考点
        • 1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
        • 2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
• 操作系统的体系结构
  • 操作系统内核
    • 层次结构
      • 时钟管理
        • 实时计时功能
      • 中断处理
        • 负责实现中断机制
      • 原语
        • 是—种特殊的程序
        • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
        • 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断
        • 运行时间较短、调用频繁
      • 对系统资源进行管理的功能
        • 进程管理
        • 存储器管理
        • 设备管理
      • 微内核
        • 只把最基本的功能保留在内核
        • 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
        • 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低
      • 大内核
        • 将操作系统的主要功能都作为系统内核，运行在核心态
        • 优点：高性能
        • 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
    • 内核是操作系统最基本，最核心的部分
    • 实现操作系统内核功能的那些部分就是内核程序
    • 操作系统内核需要运行在内核态
    • 操作系统的非内核功能运行在用户态
• 操作系统引导（boot）
  • • 1.CPU从一个特定主存地址开始取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机)
    • 2.将磁盘的第一块——主引导记录读入丙存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
    • 3.从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
    • 4.从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作
• 虚拟机
  • 虚拟机/虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/VMM：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统