操作系统引论——操作系统笔记

一、操作系统的概念和功能

  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。

1、计算机层次结构

• 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作。
• 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
• 操作系统是系统软件，而不是硬件

2、操作系统的作用

• OS 作为用户与计算机硬件之间的接口：命令接口和程序接口统称为“用户接口”；
  • 命令接口：允许用户直接使用
    • 联机命令接口：用户说一句，系统做一句；
    • 脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆；
  • 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。由一组系统调用组成（程序接口=系统调用=系统调用命令=广义命令）；
  • GUI：图形化用户界面；
• OS 作为计算机系统资源的管理者；
• OS 实现了对计算机资源的抽象，即对硬件机器的拓展。通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机。

3、总结

二、操作系统的特征

  操作系统的特征有：并发、共享、虚拟、异步。并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。

1、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。 常考易混概念——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”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。

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。

• 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。
• 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。

  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）。

（1）并发和共享的关系

• 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
• 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。

  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，则 QQ 和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发。所以并发和共享是互为存在条件的。

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，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

• 空分复用：电脑上同时运行的程序所需的内存远大于电脑内存，为什么他们可以在电脑上正常运行。
• 时分复用：每一个程序需要被分配 CPU 才能正常执行，那么为什么单核 CPU 的电脑中能同时运行这么多个程序。虚拟技术中的“时分复用技术”：微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

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。

5、总结

三、操作系统的发展和分类

1、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。

2、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。

  程序员先通过外围机把程序提前存到磁带里，磁带的读/写速度比纸带机快很多。

3、多道批处理系统

  多道批处理系统，每次往内存中读入多道程序，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）。

4、分时操作系统

  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。

5、实时操作系统

  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。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。

• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如：导弹控制系统、自动驾驶系统。
• 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定，如：12306火车订票系统。

6、其他几种操作系统

  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： WindowsNT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）。

  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，由它们并行、协同完成这个任务。

  个人计算机操作系统：如WindowsXP、MacOS，方便个人使用。

7、总结

四、操作系统的运行机制与体系结构

1、两种指令

  “指令” 就是处理器(CPU) 能识别、执行的最基本命令。比如：加法指令就是让 CPU 进行加法运算。

• 特权指令：不允许用户程序使用，如 I/O 指令、内存清零指令等；
• 非特权指令：如：运算指令。

2、两种处理器状态

  CPU 是根据处理器的状态来判断当前是否可以执行特权指令。用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理处于什么状态。如 0 为用户态，1 为核心态。

• 用户态（目态）：此时 CPU 只能执行非特权指令；
• 核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可以执行。

3、两种程序

• 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，即可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。
• 应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

4、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。

  操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似：

• 内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接。
• 大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织结构混乱，难以维护。
• 微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的。一些工作。优点是组织结构清晰，方便维护；缺点是效率低。

5、总结

五、中断和异常

  CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（整个系统的管理者），一种是应用程序。“中断”会使 CPU 由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对 CPU 的控制权（唯一途径）。在合适的情况下，操作系统内核会把 CPU 的使用权主动让给应用程序。

• 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。

1、中断类型

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部。例：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（陷入指令 = trap 指令 = 访管指令），该指令会引发一个内部中断信号。（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。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。例：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号。

2、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。显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”。

检查中断信号

• 内中断：CPU 在执行指令时会检查是否有异常发生；
• 外中断：每个指令周期末尾，CPU 都会检查是否有外中断信号需要处理。

外中断的处理过程

• Step1：执行完每个指令之后，CPU 都要检查当前是否有外部中断信号；
• Step 2：如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的 CPU 环境（如程序状态字 PSW、程序计数器 PC、各种通用寄存器）；
• Step 3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序；
• Step 4：恢复原进程的 CPU 环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

3、总结

六、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。

1、系统调用与库函数的区别

  系统调用是操作系统向上层提供的接口。库函数分为：不涉及系统调用的库函数（如的“取绝对值”的函数）；涉及系统调用的库函数（如“创建一个新文件”的函数）。

对象	功能
普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数； 有的库函数涉及系统调用，有的不涉及。
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数， 以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务。
裸机

2、为什么系统调用是必须的？

  假如 A 和 B 都使用打印机打印论文。两个进程并发运行，打印机设备交替地收到两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…

  解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用” ，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

3、什么功能要用到系统调用？

  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。

4、系统调用的过程

  传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态）→ 执行系统调用相应服务程序（核心态）→ 返回用户程序。

注意：

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，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. 陷入指令是唯一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令。

5、总结