操作系统的概念和功能

1.1 操作系统

1.1.1 操作系统的概念和功能

概念

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。

功能和目标

①操作系统是系统资源的管理者

②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。

• GUI ：图形化用户接口（Graphical User Interface）。用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。例如,在Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。
• 联机命令接口 =交互式命令接口：用户说一句，系统跟着做一句.例如,执行cmd的相关命令
• 脱机命令接口 =批处理命令接口：用户说一堆，系统跟着做一堆.例如,执行以bat后缀的文件
• 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”

③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。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器

通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

1.2 操作系统的特征

基本特征

并发、共享、虚拟、异步

并发

两个或者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

使得系统具有处理和调度多个程序同时执行的能力

操作系统的并发是通过分时实现的

注意 ：并发是指在一个时间段,并行是指在同一个时刻,并行是指系统具有同时执行或操作（硬件支持：多流水线或者多处理机）

• 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

• 互斥共享方式: 例如打印机、磁带， 同一时刻只能供一个进程对资源进行访问 。这种资源称作：临界资源或者独占资源
• 同时访问方式: 一段时间内允许多个进程对资源进行访问 ,典型代表：磁盘设备重入码编写的文件

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。

虚拟处理器：采用多道程序并发的方式，让每个终端用户感觉到有多个处理器 时分复用技术

虚拟存储器：将物理存储变为虚拟存储器，逻辑上扩充存储器用 空分复用技术

也可以将一台IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的IO设备

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，多道程序走走停停，进程以不可预知的速度向前进

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。
• 故并发性和共享性互为存在条件

并发和虚拟的关系

如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性

并发和异步的关系

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

1.3 操作系统的发展与分类

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

单道批处理

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。

多道批处理

• 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。eg：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

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。

实时操作

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。

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：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）
• 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Windows XP、MacOS，方便个人使用。

1.4 操作系统的运行机制

运行机制

两种处理器状态：内核态 & 用户态

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

别名：**内核态=核心态=管态；用户态=目态**

• 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，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

• 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

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。

原语

原语是一种特殊的程序。是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性。

大内核和微内核

操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。

• 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

1.5 中断和异常

中断的作用

CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

中断的类型

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

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。

1.6 系统调用

• 系统调用与库函数的区别

“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

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。

1.7 操作系统的体系结构

• 典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统：Linux、UNIX
• 典型的 微内核 操作系统：Windows NT