王道_操作系统 第一章 导论

0 知识总览

1 操作系统的概念

​ 操作系统（Operating System，OS）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。

直观的例子：打开Windows操作系统的“任务管理器”（快捷键：Ctrl+Alt+Del）

计算机系统的层次结构

# 2 操作系统的功能和目标

从以下几个问题来分析操作系统的功能和目标：

2.1 作为系统资源的管理者

进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

一个进程对应一个程序，但是一个程序可以同时对应多个进程。

2.2 作为用户和计算机硬件之间的接口

命令接口、程序接口和GUI等可统称为用户接口。

考研几乎不考GUI，所以王道里略过了。


联机命令接口：用户说一句，系统执行一句。如cmd窗口执行dos命令。

脱机命令接口：用户说一堆，操作系统执行一堆。如bat批处理文件。

程序接口

易混淆概念：系统调用=系统调用命令=广义指令

2.3 作为最接近硬件的层次

封装思想

2.4 知识回顾与重要考点

3 操作系统的特征

3.0 知识总览

1 并发

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内交替发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

常考易混淆概念——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存在着多个运行着的程序。

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。

并发和共享的关系

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，而逻辑上的对应物（后者）是用户感受到的。

空分复用技术

时分复用技术

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。

3.5 知识回顾与重要考点

4 操作系统的发展与分类

考研重点为绿框部分

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。

1 手工操作阶段

纸带打孔，纸带机输入/输出数据。

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

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），并由监督程序（操作系统雏形）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。

3 批处理阶段——多道批处理系统

磁带每次往内存中输入多道程序。操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。

主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升，CPU和其他资源保持“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只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）

串行工作

并行工作

4 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。

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，无法区分任务的紧急性。

5 实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

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。

6 其他几种操作系统

4.7 知识回顾与重要考点

5 操作系统的运行机制、体系结构

5.0 知识总览

什么是指令？“指令”和我们平时所说的“代码”有什么区别？

“指令”就是CPU能识别、执行的最基本命令（机器语言）

5.1 运行机制

两种指令、两种处理器状态、两种程序

问题：操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？ 由该问题，我们引入操作系统内核的概念。

5.2 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。

不同的操作系统对内核功能的划分可能不一样。

由此引出了操作系统的体系结构的问题，其中较为经典的分法是大内核和微内核

5.3 操作系统的体系结构

5.4 知识回顾与重要考点

6 中断和异常

6.0 知识总览

6.1 中断机制的诞生

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

中断过程：

把多道程序同时放入内存中，各个程序并发执行。

进程1开始在用户态运行，运行一段时间后，

在完成一系列的管理工作后，操作系统把CPU的使用权交还给进程。接下来进程2在用户态下开始执行，当进程2执行一段时间后，

为了保证系统的安全性，输入输出等操作属于特权指令，不允许用户进程直接使用。因此，普通的应用程序只能通过系统调用的方式，主动要求操作系统介入工作，让操作系统代它完成“请求输出”操作

完成这一系列的管理工作后，操作系统再次把CPU的使用权还给用户进程，进程3开始工作，并且输出设备在操作系统的要求下会并行工作。

输出设备工作结束之后，会向CPU发出一个“I/O完成”的中断信号

接下来操作系统又会把CPU的使用权还给用户进程，进程2又重新投入运行，开始后续的工作。

6.2 中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
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，操作系统会进行不同的处理

发生了中断，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。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

6.3 中断的分类

另一种分类方式：

6.4 外中断的处理过程

6.5 知识回顾与重要考点

7 系统调用

7.0 知识总览

7.1 系统调用的概念、作用

​ 应用程序通过系统调用来请求操作系统的服务。

​ 系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。

7.2 系统调用与库函数的区别

7.3 系统调用背后过程

7.4 知识回顾与重要考点