操作系统的基本概念

操作系统的概念

1. 操作系统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
2. 提供给用和其他软件方便的接口和环境
3. 是计算机系统中最基本的系统软件

操作系统的特征

并发

1. 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
2. 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
3. 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
4. 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
5. 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

1. 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
2. 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例：使用 QQ 和微信视频。一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程
3. 同时共享方式：系统中的某些资源，运行一个时间段内由多个进程同时对它们进行访问所谓的同时往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的(即分时共享)例：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，两个进程是交替着访问硬盘的

并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件

资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必须影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行

虚拟

1. 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(前者)是实际存在的，而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的
2. 虚拟技术时分复用技术：如处理器的分时共享空间复用技术：如虚拟存储器

异步

1. 异步：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
2. 只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

操作系统的目标和功能

1. 作为系统资源的管理者处理机管理存储器管理文件管理设备管理
2. 作为用户与计算机之间硬件系统之间的接口命令接口联机命令接口脱机命令接口程序接口：可以在程序中进行系统调用(广义指令)来使用程序接口。普通户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用
3. 实现对计算机资源的扩充

操作系统发展历程

手工操作阶段

此阶段无操作系统

1. 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

1. 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主要特征自动性顺序性单道性
2. 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，中间不能控制自己的作业执行无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

分时操作系统

1. 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
2. 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
3. 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

1. 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
2. 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
3. 分类硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理例：导弹控制系统、自动驾驶系统软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定例： 12306 火车订票系统

网络操作系统和分布式计算机系统

1. 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例： 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
2. 分布式操作系统：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、协同完成这个任务主要特点：分布性和并行性

个人计算机操作系统

1. 如 Windows XP 、 MacOS

操作系统运行环境

处理器运行模式

1. 指令特权指令非特权指令
2. CPU状态内核态(管态)：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(目态)：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 表示“内核态”， 0 表示“用户态”

1. 内核态、用户态的切换内核态 -> 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

中断和异常的概念

1. 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
2. 中断的类型内中断(异常、例外)：与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部例1：试图在用户态下执行特权指令例2：执行除法指令时发现除数为 0例3：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：与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部例1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号例2：I/O 中断_由输入咄设备发来的中断信号
3. 内中断(异常、例外)分类陷阱、陷入：一由陷入指令引发，是应用程序故意引发的故障：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU 使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障终止：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将 CPU 使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：整数除 0 、非法使用特权指令
4. 中断机制的基本原理不同的中断信号，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

系统调用

1. 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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务
2. 系统调用和库函数的区别：编程语言（c,java）中里边有很多库函数，其实它们（不是所有的库函数）就是将系统调用封装起来，隐藏一些细节，使上层进行系统调用更加方便
3. 系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态
4. 执行陷入指令（自陷指令或访管指令）会处理内中断，使处理器（CPU）从用户态进入核心态