操作系统基础

一.概念

一.操作系统定义

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。

二.计算机的层次结构

1.操作系统对于软件、硬件

2.操作系统对于用户

3.操作系统对于硬件

二.操作系统的四个特性

一.并发

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。

一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行)
事实上，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。

2.并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

多核CPU，比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行，但是人们的应用程序绝不可能少于4个，因此操作系统的并发性依然必不可少

二.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。

1.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，如摄像头设备同一时间只能分配给QQ或者微信

2.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，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享)，如硬盘的资源文件

三.虚拟

庞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（前者〉是实际存在的，而逻辑上对应物(后者）是用户感受到的。如一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

1.虚拟存储技术：就是把内存与外存有机的结合起来使用，从而得到一个容量很大的“内存”

把多个存储介质模块(如硬盘,RAID)通过一定的手段集中管理起来,所有的存储模块在一个存储池(Storage Pool)中得到统一管理,从主机和工作站的角度,看到就不是多个硬盘,而是一个分区或者卷,就好象是一个超大容量(如1T以上)的硬盘.这种可以将多种、多个存储设备统一管理起来,为使用者提供大容量,高数据传输性能的存储系统,就称之为虚拟存储。

例如，一个"只狼"需要的运行内存4GB，QQ需要255MB，等应用程序同时运行远大于我的电脑内存4GB，这就使用了虚拟存储器技术

2.分时复用技术：微观上处理机在各个微小的时间段内并发交替着为各个进程服务，如同时运行多个QQ，微信等应用程序

四.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，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。

三.操作系统的分类与发展

一.手工操作阶段

程序员通过在纸带上打孔（有孔0，无孔1）把程序写在纸带上，然后输入到计算机中，计算机处理这完个程序，把输出结果的纸带打印出来。

缺点：用户独占全机、人工编写程序极慢，计算机处理速度快，人机速度矛盾导致资源利用率极低

二.批处理阶段

一.单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用磁带完成)，并监督程序负责控制作业的输入、输出

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
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。

二.多道批处理系统

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和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
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）

单道与多道批处理对比

假设计算机需要处理三个作业
作业一：输入1秒，计算1秒，输出1秒
作业二：输入1秒，计算1秒，输出1秒
作业三：输入1秒，计算1秒，输出1秒

1.采用单道批处理技术

2.采用多道批处理技术

三.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

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
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

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，具有实时性和可靠性

1.硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
2.软实时系统：能接受偶尔违反时间规定

网络操作系统

是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享(如文件共享）和各台计算机之间的通信。(如: Windows NT就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用)

分布式操作系统

主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

个人计算机操作系统

Windows XP、MacOs、LInux，个人使用

四.OS的运行机制和体系结构

一.运行机制

1.指令

指令：处理器（CPU)能识别、执行的最基本命令，如将C语言代码翻译为机器语言指令

• 特权指令：不允许用户程序使用的指令，如内存清零指令
• 非特权指令：普通指令

2.处理器状态

• 核心态（管态）：此时CPU能执行特权指令、非特权指令
• 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令

3.应用程序

• 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
• 应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

二.操作系统的内核

内核是计算机上配置的底层软件，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程序就是内核程序。

三.OS的体系结构

1.大内核
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在内核态

优点：性能高
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

2.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：需要频繁地在内核态和用户态之间切换，性能低

五.中断和异常

一.中断机制的诞生

早期的计算机，程序进入CPU运行结束后，需要等待IO设备输出操作结束，才可以将程序移除，各个程序只能串行执行，系统资源利用率低

二.引入中断机制

为了解决上述问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者)，引入中断机制，实现了多道程序并发执行

本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作

例如：将多道程序同时放入内存，并发地执行

1.进程1在用户态下执行，运行结束后CPU收到计时部件发出的中断信号，CPU切换为核心态，将CPU的使用权交给操作系统，操作系统内核负责对中断信号进行处理，如中断信号是“进程1的时间片已用完，换进程2运行”。
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2.操作系统处理完管理工作后，操作系统会将CPU执行权交还给用户进程，进程2会在用户态下开始执行。
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3.当进程2执行了一段时间后，进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出。为了保证安全性，像输入输出这种特权指令，不允许用户进程直接使用，所以用户进程只能通过系统调用这种方式来主动地要求操作系统介入工作，让操作系统带它完成请求输出操作。因此CPU切换为核心态，操作系统内核对中断进行处理，操作系统会按照进程2的要求，让打印机开始工作。由于进程2要等待IO操作完成，会让进程2暂停，换进程3开始运行。
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4.操作系统完成一系列管理操作后，会将CPU执行权交还给用户进程，进程3开始在用户态下开始执行。IO操作也会并行地工作，当它工作完成后，会想CPU发出“IO完成的中断信号”。
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5.当CPU接收到IO完成中断信号后，CPU切换为核心态，将CPU的使用权交给操作系统，操作系统内核负责对中断信号进行处理，发现是进程2的IO操作完成，，会将CPU执行权交还给用户进程，进程2开始在用户态下继续运行。

总结：

1.当中断发生时，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。
2．当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3.对于不同的中断信号，会进行不同的处理’
4.“用户态→核心态”是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。
5.“核心态→用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字(PSW）的标志位设置为“用户态”，因为核心态本来就可以执行特权指令

三.中断的分类

1.分类1

内中断信号来源：CPU 内部与当前执行的指令有关
外中断信号来源：CPU 外部与当前执行的指令无关

2.分类2

四.中断的处理过程

1.执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
2.如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSw、程序计数器PC、各种通用寄存器)
3.根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
4.恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行