【操作系统】：操作系统概述

1 操作系统的定义、功能、特征

1.1 操作系统的定义

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。

1.2 操作系统的功能和目标

• 问题一：操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能?
• 问题二：操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能?
• 问题三：操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能?
  

1.2.1 系统资源管理者

我们以运行QQ和朋友视频聊天为例来进行分析

• Step 1:在各个文件夹中找到QQ安装的位置（逐层打开文件夹，找到QQ.exe这个程序（可执行文件）的存放位置）

• Step 2:双击打开QQ.exe（需要把该程序相关数据放入内存）

• Step 3: QQ程序正常运行（对应的进程被处理机(CPU)处理）

• Step 4:开始和朋友视频聊天（需要将摄像头设备分配给进程）

补充：进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

1.2.2 用户与计算机硬件之间的接口

• 命令接口：允许用户直接使用
• 程序接口：允许用户通过程序间接使用
• GUl：现代操作系统中最流行的图形用户接口

以windows操作系统为例

命令接口：

• 联机命令接口：cmd窗口，输入一句，执行一句
• 脱机命令接口：批处理命令接口（*.bat文件），输入一堆，执行一堆

程序接口：

• 程序接口：如C:\Windows\System32\user32.dll，程序员在程序中调用user32.dll(该调用过程即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。
• 由一组系统调用组成（程序接口=系统调用)

1.2.3 作为最接近硬件的层次

• 需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展
• 没有任何软件支持的计算机成为裸机。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

1.3 操作系统的四个特征

并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件，离开了并发和共享，也谈不上虚拟和异步。

1.3.1 特征一：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。

• 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（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行)

当今的计算机，一般都是多核CPU，比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行，但是操作系统的并发性依然必不可少。

1.3.2 特征二：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)

1.3.3 特征三：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。

补充：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

举例1：GTA5需要4GB的运行内存，QQ需要256MB的内存，迅雷需要256MB的内存，网易云音乐需要256MB的内存…，而电脑只有4GB内存

• 问题：这些程序同时运行需要的内存远大于4GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢?
• 答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存（物理上的实体），在用户看来似乎远远大于4GB（实体变为若干个逻辑上的对应物）。

举例2：某单核CPU的计算机中，用户10个软件。

• 问题：既然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呢?
• 答：这是虚拟存储器技术。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有10个CPU在同时为自己服务。

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。

1.3.2 特征四：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。

2 OS的发展和分类

2.1 手工操作系统

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

2.2 批处理阶段

2.2.1 单道批处理阶段

引入脱机输入/输出技术（用磁带完成)，并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。

2.2.2 多道批处理阶段（操作系统正式诞生）

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)

2.3 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。

2.4 实时操作系统

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。

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

2.5 其它几种操作系统

• 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。

3 OS的运行机制和体系结构

3.1 运行机制

指令

简单来说，“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

指令分为：

• 特权指令：如内存清零指令（不允许用户使用）
• 非特权指令：如普通的运算指令

CPU如何判断当前是否可以执行特权指令

两种处理器状态：

• 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

用程序状态字寄存器（ PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态

两种程序

• 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，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。

3.2 操作系统内核

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。

3.3 操作系统的体系结构

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。优虑是效率高；缺点是组织结构混乱，难以维护。
• 微内核：随着企业体量越来趱大，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。

4 中断和异常

4.1 中断的概念和作用

早期的计算机各程序只能串行执行，资源利用低。为了解决上述问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序并发执行。

• 本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

CPU收到计时部件发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。由操作系统内核对中断进行处理，举例说明：

• 进程1的时间片已用完，换进程2运行，于是进程2在用户态下运行；
• 进程2发出系统调用（内中断信号)，请求输出。CPU切换为核心态，对中断进行处理；
• 进程2暂停等待 I/O 完成，换进程3（I/O进程）运行；
• I/O完成，设备向CPU发出中断信号；
• CPU收到/o设备发来的中断信号，切换为核心态对中断进行处理；
• 进程2的I/o操作完成,让进程2恢集运行，以完成后续工作。

总结

• 当中断发生时，CPU立即进入核心态
• 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
• 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介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

用户态、核心态之间的切换是怎么完成的

用户态==》核心态 是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。

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”

4.2 中断的分类

另一种分类方式：

4.3 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根据3：中断信号类型转入相应的中断处理程序；
  
• Step4：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。

5 系统调用

5.1 什么是系统调用

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到对系统资源的管理、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下进行

5.2 系统调用和库函数的区别

现在的应用程序一般都是由高级语言编写如C、Java，它们会提供封装号的库函数供我们调用，而这些库函数通过系统调用来对操作系统进行操作。

5.3 系统调用背后的过程

注意：

• 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CPU进入核心态
• 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
• 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