操作系统的概念、功能
一台电脑的诞生：厂家组装一台裸机（只能听得懂二进制指令，对外暴露了“丑陋”、不友好的交互接口）-->出售前安装操作系统-->用户安装应用程序-->使用QQ聊天。
操作系统（Operating System）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。
即：
①操作系统是系统资源的管理者，比如Windows操作系统的任务管理器，快捷键ctrl+alt+del；
提供的功能有：处理机（CPU）管理，存储器管理，文件管理，设备管理；目标是安全且高效。
②操作系统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；
向上层提供的服务：GUI，图形化用户接口（Graphical User Interface）；联机命令接口=交互式命令接口，特点 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 用户说一堆，系统跟着做一堆；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，例如写C语言“hello world”程序时，在printf函数的底层就使用到了操作系统提供的显式相关的“系统调用”，程序员使用C语言库函数，而库函数的实现利用了操作系统提供的系统调用功能，系统调用（也被称为广义指令）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；
③操作系统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称为裸机，通常把覆盖了软件的及其称为扩充机器，又称之为虚拟机；操作系统对硬件机器的扩展，将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能相互协调配合，实现更多更复杂的功能。
执行一个程序前需要将该程序放到内存里，才能被CPU处理。
操作系统的特征
四个特征：并发，共享，虚拟，异步；其中并发和共享是最基本的特征。
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的，但微观上是交替发生的。
并行：指两个或多个时间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。
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：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）和同时共享方式（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，同时可能是交替的对资源进行访问，即分时共享）。
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；
同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件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，两个进程时交替访问硬盘的。
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：空分复用技术（如虚拟存储器技术），时分复用技术（如虚拟处理器）。
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。
操作系统的发展与分类
①手工操作阶段：程序员在纸带上打孔，程序执行结果输出在纸带上；
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（手工装取纸带很慢，计算机读取纸带速度较慢，而计算机的计算速度很快）。
②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；计算机读磁带比读纸带快一些；
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：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，不能控制自己的作业之行，无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）。
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：用户请求可以被即时相应，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。
⑤实时操作系统：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。主要特点是及时性和可靠性。分为硬实时系统（必须在绝对严格的规定时间内完成处理）和软实时系统（能接受偶尔违反时间规定）。
主要优点：能够优先相应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队；
others：
⑥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。
⑦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，由他们并行、协同完成这个任务。
⑧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
由很多内核程序组成了“操作系统内核”，内核（Kernel）是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分；操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI。
应用程序只能使用“非特权指令”，如加减法指令；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。
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。
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，说明此时正在执行的是应用程序，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表示内核态（管态），0表示用户态（目态）。
内核态-->用户态：执行一条特权指令---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
如果没有“中断”机制，那么一旦A应用程序在CPU上运行，CPU就会一直运行A应用程序，何来“并发”呢？
中断分为内中断（与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部）和外中断（与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部）。
内中断例子：试图在用户态下执行特权指令/ 执行除法指令时发现除数为0/ 有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令--陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号；
外中断例子：时钟中断，时钟部件每隔一个时间片会给CPU发送一个时钟中断信号/ I/O中断--由输入输出设备发来的中断信号/
每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号。
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（一定是内核程序，需要运行在内核态）在内存中的存放位置。
系统调用
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。
不是所有的库函数都涉及系统调用，如“取绝对值”的库函数。
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（如内存分配、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。
传递系统调用参数-->执行陷入指令（用户态）-->执行处理系统调用的内核程序（核心态）-->返回应用程序。
注意：1.陷入指令（trap指令，访管指令）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。
操作系统体系结构（上）
大内核：内核中包含了进程管理、存储器管理、设备管理、时钟管理、中断处理、原语等；
微内核：仅包含时钟管理、中断处理、原语等。（此时进程管理这些运行在用户态）；微内核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。
操作系统体系结构（下）
分层结构操作系统：每层可单向调用更低一层提供的接口；
优点：便于调试和验证，自底向上逐层调试验证；易于扩充和维护，各层之间调用接口清晰固定；
缺点：仅可调用相邻底层，难以合理定义各层的边界；效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长（可能只使用到最里面那层，但必须一层层调用过去）；
模块化操作系统结构：将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。内核=主模块+可加载内核模块；主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理；可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核。
优点：模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发；支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强OS适应性；任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高。
缺点：模块间的接口定义未必合理、实用；模块间相互依赖，更难调试和验证；
宏内核（大内核）：所有的系统工鞥呢都放在内核里（大内核结构的OS通常也采用了“模块化”的设计思想）
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：只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态；
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；
外核：内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全；
优点：外核可直接给用户进程分配“不虚拟，不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源；减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率；
缺点：降低了系统的一致性；使系统变得更复杂；
操作系统引导
C盘是这个磁盘的活动分区，安装了操作系统。
计算机的主存由RAM（断电后会清空）和ROM（不会因断电而丢失）两个部分组成，平时说手机内存多少/电脑内存多少，说的是RAM。
ROM引导程序（断电后不消失，所以位置是固定的）会指示着将磁盘中的主引导记录MBR读入内存，之后CPU可以执行主存内的磁盘引导程序，磁盘引导程序会根据分区表去判断C盘所处的位置，从而读入C盘第一部分的数据（引导记录PBR），之后CPU可以执行PBR找到启动管理器，启动管理器是另一个程序，通常存放在C盘根目录下面，CPU再执行启动管理程序（会完成操作系统初始化的一系列工作）。
Windows操作程序完整的开机初始化程序在“根目录/Windows/Boot”下
虚拟机
传统的物理机器，一台物理机器上只能运行一个操作系统。
虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（Virtual Machine，VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。
