第一章：操作系统概述

操作系统的概念、功能

1. 操作系统的概念（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，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。

2. 操作系统的功能和目标—作为系统资源的管理者

执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

3. 操作系统的功能和目标—向上层提供方便易用的服务

• GUI：图像化用户接口
• 联机命令接口：=交互式命令接口，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，用户说一堆，系统跟着做一堆
• 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口，普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用
  
  

4. 操作系统的功能和目标—作为最接近硬件的层次

需要实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机称为裸机，覆盖了软件的机器称为虚拟机
操作系统对硬件机器的拓展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能

操作系统的特征

1. 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。
常考易混概念：并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的
操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的，因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。并发性是操作系统的一个最基本的特性
注意：
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

2. 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
所谓的“同时”往往是宏观上的，而微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
生活实例：
互斥共享方式：使用微信和QQ视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程
同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

3. 并发和共享的关系

并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行中的程序
共享性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

4. 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，而逻辑上对应物是用户感受到的

5. 异步

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，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
如果失去了并发性，即系统只能串行的运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

OS的发展与分类

1. 手工操作阶段

2. 批处理阶段—单道批处理系统

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

3. 批处理阶段—多道批处理系统

4. 分时操作系统

5. 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，计算机系统接受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

操作系统的运行机制

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其类型

操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令，这些指令影响重大，只允许管理者—即操作系统内核来使用
应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等

CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”
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
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
拓展：CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”
别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态

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

1. 中断的作用

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（整个系统的管理者），一种是应用程序
在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
中断会使CPU由用户态变为内核态，是操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

2. 中断的类型

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
  例1：试图在用户态下执行特权指令
  例2：执行除法指令时发现除数为0（若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号）
  例3：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令—陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号（执行”陷入指令“，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。系统调用就是通过陷入指令完成的，是应用程序故意引发的）
• 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
  例1：时钟中断—由时钟部件发来的中断信号
  例2：I/O中断—由输入/输出设备发来的中断信号

中断特指外中断，内中断一般称为异常

3. 中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理，当CPU检测到中断信号时，会根据中断信号的类型去查询”中断向量表“，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置

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

两个进程并发运行，打印机设备交替地收到WPS和Word两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…
解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供”系统调用“，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求，内核会对各个请求进行协调处理

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成，这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作

操作系统体系结构

操作系统的内核

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程序是内核程序

注意：操作系统内核需要运行在内核态，非内核功能运行在用户态

CPU状态的转换的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁的转换会降低系统性能

操作系统结构—分层结构

最底层是硬件，最高层是用户接口，每层可调用更低一层

操作系统结构—模块化

操作系统结构—外核

操作系统结构总结图

操作系统引导

虚拟机