操作系统笔记<1>

操作系统的概念

• 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
• 是计算机系统中最基本的系统软件

操作系统的功能

(系统资源管理者)

• 文件管理
• 存储器管理
• 处理机(CPU)管理
• 设备管理

(用户和计算机硬件之间的接口)

• 命令接口：运行用户直接使用
  脱机命令接口：也称批处理命令接口，一批一批处理
  联机命令接口：也称交互式命令接口，一个一个处理，用户说一句，计算机执行一次

• 程序接口：运行用户通过程序使用(由一组系统调用组成)

• GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口(用形象的图图形界面代替复杂的命令、参数)

(作为最接近硬件的层次)

• 实现对硬件程序的拓展

操作系统的目标

• 安全高效
  

操作系统的特征

• 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，微观上是交替发生。(并行：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。
  一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(宏观同时，微观交替)

• 共享

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，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源(例如使用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：系统中某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”(宏同微交)对它们进行访问(使用QQ发送文件A，微信发送文件B。宏观看两边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，两个进程是交替着访问硬盘的)
   并发性和共享性互为存在条件：
3. 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
4. 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
5. 所以，如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在执行，共享性失去意义
6. 如果失去共享性，则多个进程无法同时访问资源，就无法实现同时进行任务，也就无法并发

• 虚拟
  指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，逻辑上的对应物是用户感受到的

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)
   如果失去并发性，则一个时间段内系统中只需运行一个程序，那么就失去了实现虚拟性的意义。因此没有并发性就谈不上虚拟性

• 异步
  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
  如果失去并发性，则系统只能串行地处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底，所以只有有并发才有异步
  

操作系统的发展与分类

• 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：用户请求可被即时响应，解决了人机交互的问题。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
  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
  主要特点：及时性和可靠性
  1.硬实时系统：必须在严格规定时间内完成处理(如自动驾驶系统)
  2.软实时系统：能偶尔违法时间规定

• 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，网站服务器就可以用使用)

• 分布式操作系统
  特点：分布性和并行性
  系统中的各台计算机的地位相同，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

操作系统的运行机制和体系结构

• 操作系统运行机制
  特权指令只能在核心态下执行
  内核程序只能在核心态下执行

• 操作系统的内核

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是内核程序

时钟管理、中断处理、原语是与硬件关联较紧密的模块
有的操作系统不把对系统资源进行管理的功能划分为内核功能，不同操作系统对内核功能的划分可能不一样

• 操作系统体系结构
  

中断和异常

• 中断的本质：只要发生了中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
• 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，会进行不同的处理
  发生了中断，就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作(进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态切换为核心态，是通过中断实现的(中断是唯一途径)，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序的并发执行
  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”

内中断信号来源于CPU内部，与当前执行的指令有关
外中断信号来源于CPU外部，与当前执行的指令无关

系统调用

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中程序接口由一组系统调用组成

系统调用是操作系统提供给应用程序(程序应/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

应用程序通过系统调用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

系统调用相关处理涉及系统资源的管理、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完成

系统调用背后的过程
传入系统调用参数→执行陷入指令(用户态)→执行系统调用相应服务程序(核心态)→返回用户程序

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，从而使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
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令