1.1 操作系統

1.1.1 操作系統的概念和功能

概念

操作系統（Operating System， OS）是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，并合理地組織調度計算機的工作和資源的分配；以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環境；它是計算機系統中最基本的系統軟件。

功能和目標

①操作系統是系統資源的管理者

②向上層提供方便易用的服務

封裝思想：操作系統把一些丑陋的硬件功能封裝成簡單易用的服務，使用戶能更方便地使用計算機，用戶無需關心底層硬件的原理，只需要對操作系統發出命令即可。

• GUI ：圖形化用戶接口（Graphical User Interface）。用戶可以使用形象的圖形界面進行操作，而不再需要記憶復雜的命令、參數。例如,在Windows 操作系統中，刪除一個文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。
• 聯機命令接口 =交互式命令接口：用戶說一句，系統跟著做一句.例如,執行cmd的相關命令
• 脫機命令接口 =批處理命令接口：用戶說一堆，系統跟著做一堆.例如,執行以bat后綴的文件
• 程序接口 ：可以在程序中進行系統調用來使用程序接口。普通用戶不能直接使用程序接口，只能通過程序代碼間接使用。例如,寫C語言Hello world程序時，在printf 函數的底層就使用到了操作系統提供的顯式相關的“系統調用”

③是最接近硬件的一層軟件

需要實現對硬件機器的拓展

沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機。在裸機上安裝的操作系統，可以提供資源管理功能和方便用戶的服務功能，將裸機改造成功能更強、使用更方便的機器

通常把覆蓋了軟件的機器成為擴充機器，又稱之為虛擬機

1.2 操作系統的特征

基本特征

并發、共享、虛擬、異步

并發

兩個或者多個事件在同一時間間隔內發生,這些事件宏觀上是同時發生的，但微觀上是交替發生的

使得系統具有處理和調度多個程序同時執行的能力

操作系統的并發是通過分時實現的

注意 ：并發是指在一個時間段,并行是指在同一個時刻,并行是指系統具有同時執行或操作（硬件支持：多流水線或者多處理機）

• 單核CPU同一時刻只能執行一個程序，各個程序只能并發地執行
• 多核CPU同一時刻可以同時執行多個程序，多個程序可以并行地執行

共享

• 互斥共享方式: 例如打印機、磁帶， 同一時刻只能供一個進程對資源進行訪問 。這種資源稱作：臨界資源或者獨占資源
• 同時訪問方式: 一段時間內允許多個進程對資源進行訪問 ,典型代表：磁盤設備重入碼編寫的文件

虛擬

虛擬是指把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物。物理實體（前者）是實際存在的，而邏輯上對應物（后者）是用戶感受到的。

虛擬處理器：采用多道程序并發的方式，讓每個終端用戶感覺到有多個處理器 時分復用技術

虛擬存儲器：將物理存儲變為虛擬存儲器，邏輯上擴充存儲器用 空分復用技術

也可以將一臺IO設備虛擬為多臺邏輯上的IO設備，并允許每個用戶占用一臺邏輯上的IO設備

異步

在多道程序環境下，允許多個程序并發執行，但由于資源有限，進程的執行不是一貫到底的，多道程序走走停停，進程以不可預知的速度向前進

并發和共享的關系

• 并發性指計算機系統中同時存在著多個運行著的程序。
• 共享性是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。
• 故并發性和共享性互為存在條件

并發和虛擬的關系

如果失去了并發性，則一個時間段內系統中只需運行一道程序，那么就失去了實現虛擬性的意義了。因此，沒有并發性，就談不上虛擬性

并發和異步的關系

只有系統擁有并發性，才有可能導致異步性。

1.3 操作系統的發展與分類

手工操作階段

• 主要缺點: 用戶獨占全機、人機速度矛盾導致資源利用率極低

單道批處理

引入脫機輸入/輸出技術（用外圍機+磁帶完成），并由監督程序負責控制作業的輸入、輸出

• 主要優點：緩解了一定 程度的人機速度矛盾， 資源利用率有所提升。
• 主要缺點：內存中僅能 有一道程序運行，只有 該程序運行結束之后才 能調入下一道程序。CPU有大量的時間是在 空閑等待I/O完成。資源 利用率依然很低。

多道批處理

• 主要優點：多道程序并發執行，共享計算機 資源。資源利用率大幅提升，CPU和其他資源更能保持“忙碌”狀態，系統吞吐量增大。
• 主要缺點：用戶響應時間長，沒有人機交互功能（用戶提交自己的作業之后就只能等待計算機處理完成，中間不能控制自己的作業 執行。eg：無法調試程序/無法在程序運行過 程中輸入一些參數）

分時操作

分時操作系統：計算機以時間片為單位輪流為各個用戶/作業服務，各個用戶可通過終端與計算機進行交互。

• 主要優點：用戶請求可以被即時響應，解決了人機交互問題。允許多個用戶同時使用一臺計算機，并且用戶對計算機的操作相互獨立，感受不到別人的存在。
• 主要缺點：不能優先處理一些緊急任務。操作系統對各個用戶/作業都是完全公平的，循環地為每個用戶/作業服務一個時間片，不區分任務的緊急性。

實時操作

在實時操作系統的控制下，計算機系統接收到外部信號后及時進行處理，并且要在嚴格的時限內處理完事件。實時操作系統的主要特點是及時性和可靠性

• 主要優點：能夠優先響應一些緊急任務，某些緊急任務不需時間片排隊。

其他幾種操作系統

• 網絡操作系統 ：是伴隨著計算機網絡的發展而誕生的，能把網絡中各個計算機有機地結合起來，實現數據傳送等功能， 實現網絡中各種資源的共享（如文件共享）和各臺計算機之間的通信 。（如：Windows NT 就是一種典型的網絡操作系統，網站服務器就可以使用）
• 分布式操作系統 ：主要特點是分布性和并行性。系統中的各臺計算機地位相同， 任何工作都可以分布在這些計算機上，由它們并行、協同完成這個任務 。
• 個人計算機操作系統 ：如Windows XP、MacOS，方便個人使用。

1.4 操作系統的運行機制

運行機制

兩種處理器狀態：內核態 & 用戶態

CPU 中有一個寄存器叫 程序狀態字寄存器（PSW），其中有個二進制位，1表示內核態，0表示用戶態

別名：**內核態=核心態=管態；用戶態=目態**

• CPU 有兩種狀態，“內核態”和“用戶態”
  • 處于內核態時，說明此時正在運行的是內核程序，此時可以執行特權指令
  • 處于用戶態時，說明此時正在運行的是應用程序，此時只能執行非特權指令

• 內核態、用戶態的切換
  • 內核態--用戶態：執行一條特權指令——修改PSW的標志位為“用戶態”，這個動作意味著操作系統將主動讓出CPU使用權
  • 用戶態--內核態：由“ 中斷 ”引發，硬件自動完成變態過程，觸發中斷信號意味著操作系統將強行奪回CPU的使用權

內核

內核是計算機上配置的底層軟件，是操作系統最基本、最核心的部分。實現操作系統內核功能的那些程序就是內核程序。

原語

原語是一種特殊的程序。是最接近硬件的部分，這種程序的運行具有原子性。

大內核和微內核

操作系統的體系結構問題與企業的管理問題很相似。

• 大內核 ：企業初創時體量不大，管理層的人會負責大部分的事情。優點是效率高；缺點是組織結構混亂，難以維護。
• 微內核 ：隨著企業體量越來越大，管理層只負責最核心的一些工作。優點是組織結構清晰，方便維護；缺點是效率低

1.5 中斷和異常

中斷的作用

CPU 上會運行兩種程序，一種是操作系統內核程序，一種是應用程序

中斷是讓操作系統內核奪回CPU使用權的唯一途徑

中斷的類型

• 內中斷 : 與當前執行的指令有關，中斷信號來源于CPU內部
• 外中斷 : 與當前執行的指令無關，中斷信號來源于CPU外部

中斷機制的基本原理

不同的中斷信號，需要用不同的中斷處理程序來處理 。當CPU檢測到中斷信號后，會根據中斷信號的類型去查詢中斷向量表，以此來找到相應的中斷處理程序在內存中的存放位置。

1.6 系統調用

• 系統調用與庫函數的區別

“系統調用”是操作系統提供給應用程序（程序員/編程人員）使用的接口，可以理解為一種可供應用程序調用的特殊函數，應用程序可以通過系統調用來請求獲得操作系統內核的服務

應用程序通過系統調用請求操作系統的服務。而系統中的各種共享資源都由操作系統內核統一掌管，因此 凡是與共享資源有關的操作（如存儲分配、I/O操作、文件管理等），都必須通過系統調用的方式向操作系統內核提出服務請求 ，由操作系統內核代為完成。這樣可以保證系統的穩定性和安全性，防止用戶進行非法操作。

1.7 操作系統的體系結構

• 典型的大內核/宏內核/單內核 操作系統：Linux、UNIX
• 典型的 微內核 操作系統：Windows NT