OS-操作系统概论

操作系统所处的位置

• 操作系统是代码：位于:程序与硬件之间，不同的程序之间，不同的用户之间
• 操作系统(OS)的作用：在相互竞争资源的程序之间，提供对处理器、存储器、IO设备等资源有序的控制、管理与分配。
• 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。

操作系统接口

• 联机命令接口：交互式命令接口（例子：终端，用户和系统的交互）（用户说一句，系统处理一句）
• 脱机命令接口：批处理命令接口（例子：.bat文件）（用户说一堆，系统处理一堆）
• 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。
• 系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式

对硬件机器的扩展

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

操作系统的特征

• 并发，共享，虚拟，异步
• 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。

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。
• 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：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。
• 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

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。

• 互斥共享：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
• 同时共享：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
• 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
• 如果失去共享性，就无法实现同时访问文件，也就无法并发。
• 并发性和共享性相互依存。

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。

• 虚拟技术：空分复用，时分复用。
• 如果失去了并发性，一个时间段系统只运行一个程序，虚拟性就无意义了。

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。

• 只有系统拥有并发性，才会可能导致异步性。

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

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

• 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。

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
• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
• 软实时系统：能接受偶尔违法时间规定

操作系统运行机制

• 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
• 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，特权指令只能在内核程序中运行。
• 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
• 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“内核态”，0表示“用户态”
• 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

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，用户态变为内核态

内中断（异常）

• 与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

• 触发源

  • 异常（Exceptions）：
    • 程序错误：除零、溢出、非法指令
    • 缺页异常（Page Fault）
    • 断点调试
  • 陷阱（Traps）：
    • 系统调用（syscall）
    • 调试陷阱
• 执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核 ，“系统调用”就是通过陷入指令完成的

外中断

• 与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
• 由处理器外部设备引发的中断，通常称为硬件中断。

中断的实现

• 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。

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。
• 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
• 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

操作系统的体系结构

• 原语是一种特殊的程序，具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可被“中断“
• 大内核：把所有操作系统功能都放在内核空间
  • 优点：性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用
  • 缺点：内核庞大功能复杂，难以维护 ；大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃
• 微内核：内核只保留最核心功能，其他作为用户空间服务
  • 优点：内核小功能少、易于维护，内核可靠性高 ；内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃
  • 缺点：性能低，需要频繁的切换用户态/核心态。 ； 用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的"消息传递“来间接通信
• 变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能
• 分层结构
  • 内核分多层，最底层是硬件，最高层是用户接口，每一层只能调用更低一层提供的接口。
  • 优点：便于调试，自底向上逐层调试即可。易扩充维护，各层之间的接口相对固定
  • 缺点：仅能调用相邻的低层，不能跨层调用。各层之间的边界难以界定。系统调用时间长（一层一层往下传递），效率低
• 模块化
  • 把内核划分为多个模块，每个模块之间相互协作。
  • 优点：模块逻辑清晰，易于维护。支持动态加载新的内核模块（驱动程序），不需要重新编译内核。模块间之间可以直接调用，效率高。
  • 缺点：模块间相互依赖，调试较难。
• 外核
  • 内核负责进程调度，通信等功能，外核负责为用户分配未经抽象的硬件资源，并且保证安全。
  • 优点：用户进程可以更灵活地使用硬件资源。减少了对物理内存的虚拟和映射，效率高。
  • 缺点：降低了系统的一致性，使得系统变得复杂。

操作系统引导

磁盘分区

• 一个磁盘被逻辑地分为若干区，第一个区块为主引导分区(MBR)，包含了磁盘引导程序和分区表（记录各个分区的位置，大小，地址范围）
• 安装了操作系统的分区为的活动分区。
• 活动分区的第一个扇区为活动引导记录，PBR
• “PBR 的作用是：把控制权从 MBR 转交给“该分区里的操作系统引导程序”

操作系统引导过程（BIOS/UEFI）

• CPU通电后，固定跳转至ROM对应的地址区域（BIOS/UEFI固件存储于此）
• BIOS：
  • CPU执行BIOS，进行硬件自检，初始化硬件。BIOS选择启动设备，把设备的第一块扇区（MBR）读入内存。
  • 执行磁盘引导程序，扫描分区表，找到 Active（活动）分区，读取该分区的 PBR，跳转到 PBR。
  • 执行PBR时，会读取操作系统启动程序Bootloader并执行，进行操作系统初始化。
• UEFI
  • 读取 EFI System Partition（ESP）
  • 启动 EFI 程序（Bootloader），选择操作系统，加载内核...
• 然后内核被加载，操作系统接管控制权。