1.1.1+1.1.2 操作系统的概念、功能

• 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。

1. 操作系统是系统资源的管理者
• 提供的功能
• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理
• 目标：安全、高效
• 补充知识：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

2. 向上层提供方便易用的服务
• 封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。
• 提供的服务举例
• GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface），用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。
• 联机命令接口实例（Windows系统）
• 联机命令接口=交互式命令接口，特点是 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，特点是 用户说一堆，系统跟着做一堆。
• 系统调用=广义指令（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。

3. 是最接近硬件的一层软件
• 需要实现对硬件机器的拓展。
• 没有任何软件支持的计算机成为裸机。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。
• 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机。

1.1.3 操作系统的特征

• 操作系统有 4 个特征

• 并发性和共享性互为存在条件
1. 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
2. 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。

1. 并发
• 定义：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。
• 常考易混概念一一并行：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。
• 注意（重要考点）：
• 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
• 定义：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。
• 两种资源共享方式
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。
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。

3. 虚拟
• 虚拟是指把一个物理上的实体变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。
• 虚拟技术
1. 空分复用技术（如虚拟存储器技术）
2. 时分复用技术（如虚拟处理器）

4. 异步
• 定义：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。

1.2_操作系统的发展与分类

• 手工操作阶段
• 主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

• 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。
• 主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
• 主要缺点：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。
• 多道批处理系统（操作系统开始出现）
• 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。
• 主要优点：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。
• 主要缺点：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。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

• 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。
• 主要优点：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。
• 主要缺点：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
• 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。
• 实时操作系统
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
• 如 Windows、macOS，方便个人使用。

1.3.1_操作系统的运行机制

• 预备知识：程序是如何运行的？
• 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。
• 指令：是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。

• 两种指令
• 特权指令：应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。
• 非特权指令：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。

• 两种处理器状态
• 内核态：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。
• 用户态：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：执行一条特权指令一一修改 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。

• 两种程序
• 内核程序：我们普通程序员写的程序就是“应用程序”。
• 应用程序：微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核(Kernel)”内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了（eg: Docker —> 仅需 Linux 内核）。

1.3.2_中断和异常

• 中断的作用
• “中断”是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径。

• 中断的类型
• 内中断（也称”异常”）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部。
• 例子：陷阱、陷入（trap）、故障（fault）、终止 （abort）。
• 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部。
• 例子：时钟中断、I/O 中断请求。

• 中断机制的基本原理
• 检查中断信号
• 内中断：CPU 在执行指令时会检查是否有异常发生。
• 外中断：每个指令周期末尾，CPU 都会检查是否有外中断信号需要处理。
• 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。

1.3.3_系统调用

• 什么是系统调用？
• “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。

• 系统调用与库函数的区别

类型	功能
普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机	硬件

• 小例子：为什么系统调用是必须的？
• Word 和 WPS 同时打印

• 什么功能要用系统调用实现？
• 系统调用（按功能分类）
1. 设备管理：完成设备的 请求/释放/启动 等功能
2. 文件管理：完成文件的 读/写/创建/删除 等功能
3. 进程控制：完成进程的 创建/撒销/阻塞/唤醒 等功能
4. 进程通信：完成进程之间的 消息传递/信号传递 等功能
5. 内存管理：完成内存的 分配/回收 等功能
• 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。

• 系统调用的过程
• 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

1.4_操作系统体系结构（上）

• 操作系统体系结构
• 大内核（又名：宏内核/单内核）
• 微内核
• 分层结构
• 模块化
• 外核

• 操作系统的内核
• 时钟管理：实现计时功能
• 中断处理：负责实现中断机制
• 原语
• 是一种特殊的程序
• 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
• 这种程序的运行具有原子性
• 运行时间较短、调用频繁
• 其运行只能一气呵成，不可中断
• 对系统资源进行管理的功能
• 进程管理
• 存储器管理
• 设备管理

• 操作系统的体系结构
• 注意：CPU 状态转换的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能
• 大内核
• 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
• 优点：高性能
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
• 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：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

1.4_操作系统体系结构（下）

• 操作系统结构

1.5_操作系统引导

• 操作系统引导（开机过程）



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 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，执行其中的程序。
4. 从根日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。

• 例：Windows 操作系统的初始化程序
• 注：完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）可在根目录下找到。
• Windows 操作系统完整的开机初始化程序在 “根目录/Windows/Boot” 下。

1.6_虚拟机

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

• 同义术语：虚拟机管理程序 / 虚拟机监控程序 / Virtual Machine Monitor / Hypervisor

• 两类虚拟机管理程序（VMM）的对比