本文介绍了操作系统的概念、功能和目标，强调了并发、共享、虚拟和异步四大特征。从人工操作方式到实时操作系统，阐述了OS的发展历程与分类。此外，还探讨了操作系统运行机制、中断和异常处理以及系统调用的作用。
@王道考研
目录
1. OS概念、功能和目标
思维导图
1.1 结合生活经验理解计算机系统的层次结构
1.2 OS概念
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。
1.3 OS功能和目标
OS作用（5个功能）：
1）OS作为计算机系统资源的管理者
提供的功能：①处理机管理、②存储器管理、③文件管理、④设备管理
2）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
提供的功能：⑤提供了“用户与OS的接口”
⭐命令接口：允许用户直接使用；
⭐程序接口（系统调用）：用户通过程序间接使用；
GUI：现代OS中最流行的图形用户接口
3）OS实现了对计算机资源的抽象
完全无软件的计算机系统被称为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。（封装与抽象）
通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机。
2.OS特征
并发、共享、虚拟、异步是OS的四个基本特征，并发、共享是最基本的特征，二者互为存在条件。
2.1 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。
常考易混概念—―并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。
一个单核处理机（CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负贡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。
当今的计算机，一般都是多核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，但是操作系统的并发性依然必不可少。当代人使用计算机绝对有4个以上的程序需要同时工作。
2.2 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。
1）互斥共享方式
含义：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。
实例:
互斥共享方式:使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
2）同时共享方式
含义：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。所谓的“同时”往往是宏观上的，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)。
实例：
同时共享方式:使用QQ和微信同时发送文件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。
2.3 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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者)是用户感受到的。
时分复用技术 空分复用技术
2.4 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。
注：只有系统存在并发性，才会导致虚拟和异步性
3.OS发展与分类
思维导图（⭐绿框）
学习提示:重点理解各阶段的优点和缺点。各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点。
3.1 人工操作方式
缺点： 用户独占全机、人机速度矛盾导致计算机资源利用率低。
3.2 批处理阶段——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（OS雏形）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。
注：I(输入）C（计算）O（输出） 只能串行工作 。
3.3 批处理阶段——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)。
注：I(输入）C（计算）O（输出） 可以并行工作 ，故资源利用率大幅提升。
3.4 分时系统
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:用户请求可以被及时响应，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。
3.5 实时操作系统
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。
3.6 其他
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 11、Macos等，方便个人使用。
4.OS运行机制和体系结构
思维导图
4.1 运行机制
最常考知识点:
1）特权指令只能在核心态下执行
2）内核程序只能在核心态下执行
3）核心态、用户态之间的切换（该切换是由中断实现的，且中断是唯一途径）
4.2 OS体系结构
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程序就是内核程序。
5.中断和异常
5.1 中断的概念与作用
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）有了中断，才能实现多道程序并发执行。
遗留问题:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?
“用户态→核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
“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”
5.2 中断（广义）的分类
思维导图
分类依据：中断信号的来源——CPU的内部？外部？
第一种分类
第二种分类
外中断的处理过程
Step 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
Step 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)
Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
Step 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
6.系统调用
6.1 含义
“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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制,这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。
6.2系统调用与库函数的区别
不涉及系统调用的库函数:如的“取绝对值”的函数；涉及系统调用的库函数:如“创建一个新文件”的函数。
6.3 系统调用背后的过程
tips：凡是与资源有关的操作、会直接影响到其他进程的操作,一定需要操作系统介入，即需要通过系统调用来实现。
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