第一章操作系统概述

1.1操作系统概念和功能

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。

操作系统是系统资源的管理者.
向上层提供方便易用的服务.
是最接近硬件的一层软件.

运行一个程序的步骤

逐层打开文件夹，找到可执行文件。

把该程序的相关数据放入内存。

对应的进程被处理机(CPU)处理。

把设备分配给程序进程。

操作系统的功能和目标————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。

操作系统的功能

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。例子：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（Windows系统）联机命令接口=交互式命令接口
Step 1: win键+R
Step 2：输入cmd，按回车，打开命令解释器
Step 3：尝试使用
time 命令

脱机命令接口（Windows系统）脱机命令接口=批处理命令接口
使用windows系统的搜索功能，搜索C盘中的 *.bat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。

操作系统可以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

1.2操作系统的特征

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。

操作系统的并发性是宏观上多个程序同时运行，微观上交替运行。操作系统是伴随着“多道程序技术”诞生，因此操作系统和程序并发是一起诞生的。
重要考点单核CPU同时只能运行一个程序，多核CPU有几个核就可以同时运行几个程序，每个核心若想运行多个程序，只能并发地运行。

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。

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)

并发性和共享性互为存在条件.

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。
没有并发性就没有虚拟性

时分复用技术和空分复用技术

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。

只有系统拥有并发性，才有可能拥有异步性.

操作系统的发展与分类

1.3操作系统的运行机制

指令就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令.
程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程.

操作系统最重要的部分就是操作系统内核，简称内核（kernel）。
甚至一个操作系统只需要内核就够了，比如Docker（只有Linux内核）。
操作系统的功能未必都在内核中，比如GUI。

操作系统内核程序作为管理者，可以使用应用程序不能使用的特权指令，比如内存清空指令。
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，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令.

拓展：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.

内核态->用户态：执行一条特权指令一一修改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.

操作系统开机时处于内核态，操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为“用户态”，CPU检测到中断信号后，会立即变为核心态，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序

中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

内中断（异常）的例子：非法指令、陷入指令(trap指令或访管指令）、故障、终止

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一陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号.
故障由错误条件引起。把CPU交还给内核后进行修复然后再继续执行，比如缺页中断。
由致命错误引起，不再把CPU交还给程序，比如整数除零、非法使用特权指令。

外中断（狭义的中断）的例子：时钟中断和I/O中断

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得操作系统内核的服务。

与共享资源有关的操作（如存储分配、1/0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，由操作系统内核代力完成。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。

系统调用的过程：

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.

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.

1.4操作系统的体系结构

进程管理、存储器管理、设备管理更多是对数据结构的管理不设计硬件。这三个属于大内核(宏内核/单内核)但不属于微内核.

Linux和Unix属于大内核系统，Windows属于微内核系统。
频繁转换CPU状态是会降低系统性能的。

分层结构开发时，逐渐向外调试，便于软件测试，但是不可以跨层调用所以效率低,难以区分边界（比如内存和进程需要相互调用）。

模块化的内核就像树一样，主模块（进程、内存等）和可加载内核模块（驱动程序），优点是便于添加新的设备（只需要安装驱动模块），模块之间可以之间相互调用，无需消息传递，缺点是不方便调试。

大内核性能高可以直接相互调用，但是难以维护而且出错容易全部崩溃。

微内核更容易维护，而且出错不容易导致整体崩溃，但是性能低。

外核结构中，进程既可以用系统库函数调用内核功能，也可以访问外核，由外核提供未经抽象的内核功能。

外核可以灵活地给进程分配未抽象的硬件资源，比如需要随机访问内存的进程，如果直接使用连续的内存空间，性能会高很多，外核可以分配给进程连续的内存而不是经过虚拟出来的抽象连续内存。

1.5操作系统的引导

PBR——存储引导记录

主存由**RAM（内存）和ROM（BIOS）**组成。

BIOS是基本输入输出系统。
RAM关机后会清空，ROM不会。

开机后，CPU先访问ROM，ROM引导程序引导CPU执行MBR，将磁盘引导程序和分区表读取到RAM，CPU可以从分区表里读取C盘的位置,然后执行PBR（找到启动管理器），在根目录里找到启动管理器并执行，然后就可以进行操作系统初始化。

1.6虚拟机

虚拟机（虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/Virtual Machine Monitor/Hypervisor）：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化力多台虚拟机器（Virtual Machine, VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。

两类VMM，第一类直接运行在硬件上，第二类运行在宿主操作系统上。

直接运行在硬件上的VMM的虚拟机的操作系统，不能运行VMM以外的进程，VMM运行在内核空间，但是虚拟机运行在用户空间，是虚拟的用户空间和虚拟的内核空间，不能直接使用特权指令，只能使用VMM虚拟出来的特权指令（不是特权指令）。

运行在宿主机操作系统上，比如Virtual和VMware，VMM和虚拟机都运行在用户空间,宿主机可以运行VMM以外的进程，硬件资源的管理者是宿主机操作系统。