【操作系统】1、操作系统概述

一、操作系统概述

1.1 操作系统基本概念

1.1.1 操作系统的概念、功能

参考书：操作系统是管理计算机硬件的程序。它还为应用程序提供基础，并且充当计算机用户和计算机硬件的中介。

王道书：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

1. 操作系统是系统资源的管理者

2. 向上层提供方便易用的服务（封装思想）

3. 是最接近硬件的一层软件

补充：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

1.1.2 操作系统的特性

并发性：多个事件在宏观上是同时发生的，但微观上是交替运行的

并行：同一时间发生多个事件

• 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

共享性：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

虚拟性：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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

异步性：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。

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。

1.1.3 操作系统的发展与分类

手动操作阶段：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低，CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾。

批处理阶段——单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术，并由监督程序负责控制作业的输入、输出——操作系统的雏形

• 优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾。资源利用有所提升
• 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

批处理阶段——多道批处理系统：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

• 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。
• 缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能

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：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性和可靠性。

• 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。

其他操作系统（不重要）

• 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：如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。

1.1.4 操作系统的运行机制

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

1.2 内核态与用户态

操作系统包含两种程序：内核程序和应用程序。

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

CPU能判断出指令类型，但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序 or 应用程序？

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”

内核态、用户态的切换

• 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

1.3 中断、异常

中断会使CPU由用户态变为内核态，是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

内中断案例：

1. 故障——试图在用户态下执行特权指令；
2. 终止——执行除法指令时发现除数为0、非法使用特权指令；
3. 陷阱/陷入——应用系统请求操作系统内核服务（系统调用），执行一条特殊的指令——陷入指令（不是特权指令），引发一个内部中断信号

外中断案例：

1. 时钟中断——每隔一段时间，由时钟部件发来的中断信号；
2. I/O中断——有输入/输出设备发来的中断信号。

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检测到中断信号后，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。

显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在”内核态“。

1.4 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。

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。

传递系统调用参数—>执行陷入指令（用户态）—>执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）—>返回应用程序

注意：

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

1.5 计算机的层次结构

内核是操作系统最基本、最核心的部门，内核需要运行在内核态，非内核功能运行在用户态。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

大内核和微内核的区别

1.6 操作系统引导（开机过程）

操作系统引导：

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（MBR）**读入内存，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PBR，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

1.7 虚拟机

虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（VirtualMachine,VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统

常用术语总结

名词	概念
PCB	进程控制块（PCB Process Control Block）,系统中存放、管理和控制进程信息的数据结构称为
TCB	线程控制块
FCB	文件控制块
PID	进程ID(Process ID)
PSW	程序状态字寄存器，用于存放PC、IR等的信息
PC	程序计数器，存放下一条指令地址
IR	指令寄存器，存放到当前进行的指令
半双工	半双工和全双工是计算机网络中的概念，意思是通讯同一时间只允许一方发送数据(对讲机)
全双工	通信允许两方向上同时传输数据(电话)
P操作	来自荷兰语proveren，代表wait原语，通常使用P(S)代替wait(S)
V操作	来自荷兰语verhogen，代表原语signal,通常使用V(S)代替signal(S)
用户态	一般的操作系统对执行权限进行分级，分别为用保护态和内核态。用户态相较于内核态有较低的执行权限，很多操作是不被操作系统允许的，从而保证操作系统和计算机的安全。
内核态	内核态相当于一个介于硬件与应用之间的层，可以进行硬件的调度、使用，可以执行任何cpu指令，也可以引用任何内存地址，包括外围设备, 例如硬盘, 网卡，权限等级最高。
用户态内核态切换	三种情况下，用户态会转换到内核态，系统调用、程序异常(例如/0，内存资源耗尽等)、来自外围设备的中断
系统调用/程序接口	用户程序通过系统调用的方式才能对硬件进行使用，或者说操作系统将使用硬件的接口提供给用户程序
中断	中断是操作系统内核程序夺取cpu的唯一途径，或者说用户程序调用内核代码的唯一途径，因为在一般情况下，操作系统会将cpu使用权交给应用程序。