操作系统第一章 操作系统概述
第一章 操作系统概述
1.1 操作系统的基本概念
1.1.1 操作系统的概念(定义)
一台电脑的诞生过程*
- Step 1:厂家组装一台裸机
- Step 2:出售前安装操作系统
- Step 3:用户安装应用程序(eg: QQ)
- Step 4:使用QQ聊天
- 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
。
要点:
- 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
- ③是最接近硬件的一层软件
用户
和应用程序
都会有与操作系统相连的部分
直观的例子:打开 Windows操作系统的“任务管理器”(快捷键:Ctrl+Alt+Del)
1.1.2 操作系统的功能
(1) 作为系统资源的管理者
- 作为
系统资源的管理者
这里用QQ和朋友视频聊天的过程来进行说明
序号 | 过程 | OS要做的事情 | 体现OS的功能 |
---|---|---|---|
1 | 在各个文件夹中找到QQ安装的位置(如 D:/Tencent/QQ/Bin) | 整个过程中,OS需要逐层打开文件夹,找到QQ.exe这个程序(可执行文件)的存放位置 | 文件管理 |
2 | 双击打开QQ.exe | 把该程序相关数据放入内存(执行一个程序前需要将该程序放到内存中) | 存储器管理 |
3 | QQ程序正常运行 | 对应的进程被处理机(CPU)处理 | 处理机管理 |
4 | 开始和朋友视频聊天 | 可能需要将摄像头分配给进程 | 设备管理 |
目标:安全、高效
(2) 向上层提供方便易用的服务
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
操作系统提供的接口如下
- 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
实例(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
实例(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,用门事本任意打开一个
- 特点:用户有一堆指令、系统跟着做一堆
- 脱机命令接口就是一下给一段代码,OS直接照做即可,不需要交互式的
- 联机和脱机的区别在于:说一句做一句还是说一堆做一堆
上面的接口都是提供给用户的,下面是提供给程序员的
- 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。
- 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”
系统调用
类似于函数调用,是应用程序请求操作系统服务的唯一方式
- 程序接口由一些列系统调用组成,在有的教材中:系统调用 =
广义指令
(3) 作为最接近硬件的层次
- 作为最接近硬件的层次
- 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
类比汽车:
- 发动机——只会转;轮胎——只会滚;
- 在原始的硬件机器上覆盖一层传动系统——让发动机带着轮子转——使原始的硬件机器得到拓展
- 操作系统对硬件机器的拓展:将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来,让各种硬件能够相互协调配合,实现更多更复杂的功能
这一节的关键是OS向上层提供了哪些服务
1.1.3 操作系统的特征
有4个特征
(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。操作系统不一定有并行,比如单核计算机,但是一定有并发
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。- 操作系统就是伴随着“
多道程序技术
”而出现的。因此,操作系统和程序并发
是一起诞生的。
没有并发就不算是操作系统
注意
(重要考点):
- 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
比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU,意味着可以并行地执行4个程序
- 即使是对于4核CPU来说,只要有4个以上的程序需要“同时”运行,那么并发性依然是必不可少的
- 因此
并发性
是操作系统一个最基本的特性
操作系统不一定有并行,但是一定有并发
(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
。 -
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)
生活实例:
- 互斥共享方式:使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
- 同时共享方式: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
。
通过上述例子来看并发与共享的关系:使用QQ发送文件A,同时使用微信发送文件B。
- 两个进程正在并发执行(并发性)
- 需要共享地访问硬盘资源(共享性)
关系:
- 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
- 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
并发和共享互为存在条件
(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
。
计算机的很多虚拟都是指这个意思,物理有自己的实现方式,但是逻辑上给用户的体验是完整的,有逻辑的
举例
- 背景知识:一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行
首先是内存
的虚拟化
- 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......
- 我的电脑: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,在用户看来似乎远远大于4GB
这使用的
虚拟技术中的“空分复用技术”
然后是CPU
的虚拟化
- 某
单核
CPU的计算机中,用户打开了多个软件。。。 - 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
虚拟处理器技术
。实际上只有一个单核CPU,在用户看来似乎有6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
并发性和虚拟性之间的关系
- 显然,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
(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。
简而言之就是多道程序之间的工作没有协调
并发和异步的关系:
- 如果失去了并发性,即系统只能串行地运行各个程序,那么每个程序的执行会一贯到底。
- 只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。
重要考点:
- 理解并发和并行的区别并发和共享互为存在条件
- 没有并发和共享,就谈不上虚拟和异步(理解并发和 虚拟、异步的关系),因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征
1.2 操作系统的发展与分类
- 学习提示:要重点关注和理解各类操作系统
主要想解决的是什么问题
,各自的优缺点
。 - 重点考察框柱的部分
1.2.1 手工输入阶段(此阶段无操作系统)
步骤:
- 用户将程序打到纸带上(超慢)
- 纸带机读取纸带上的程序(慢)
- 计算机执行程序(超快)
- 计算机将执行结果打到纸带上(慢)
- 用户读取纸带机上的结果(超慢)
时间流程图如下
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
可以看到,只有中间的红色部分是计算机执行程序的时间,橙色部分是读/写程序的时间
1.2.2 批处理阶段(操作系统开始出现)
- 批处理就是指将多个程序都放到一个磁带里,也就是一次给计算机多个程序,即批处理
- 但是批处理并不是指一次读取多道程序,比如
单道批处理系统
(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
- 引入脱机输入/输出技术,并由
监督程序
(操作系统的雏形)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。
单道批处理系统没有并发性,因此肯定不能叫做操作系统
(2) 多道批处理系统(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)
1.2.3 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。
| 时间片给一位用户 | 时间片给另一位用户 |
| :----------------------------------------------------------: | :----------------------------------------------------------: |
||
|
-
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。
1.2.4 实时操作系统
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
- 硬实时系统:如导弹控制系统、自动驾驶系统
- 软实时系统:比如12306,偶尔数据不能及时更新也是情有可原的
1.2.5 网络操作系统和分布式操作系统
下面的了解即可,考试多考之前的
- 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
。
1.2.6 个人计算机操作系统
个人计算机操作系统:如 Windows xp、MacOs,方便个人使用。
书上这里有个图,可以画出那个图
复习
1.3 操作系统的运行机制
1.3.1 处理器运行模式
(1) 预备知识:程序是如何运行的
预备知识:程序是如何运行的
- 一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令
-
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
-
“
指令
”就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令
- 注:很多人习惯把Linux、Windows、MacOS的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”,其实这是“
交互式命令接口
”,注意与本节的“指令”区别开。- 本节中的“指令”指二进制机器指令
(2) 内核程序 & 应用程序
-
我们普通程序员写的程序就是“
应用程序
” -
微软、苹果有一帮人负责实现操作系统,他们写的是“
内核程序
” -
由很多内核程序组成了“
操作系统内核
”,或简称“内核(Kernel)”
-
内核是操作系统最重要最核心的部分,也是最接近硬件的部分
-
甚至可以说,一个操作系统只要有内核就够了(eg: Docker一>仅需Linux内核)
-
操作系统的功能未必都在内核中,如图形化用户界面GUI
在linux的内核模块,实际上就是保存着内核程序的
特权指令 & 非特权指令
- 应用程序只能使用“非特权指令”,如:加法指令、减法指令等
- 操作系统内核作为“管理者”,有时会让CPU执行一些“
特权指令
”,如:内存清零指令
。这些指令影响重大,只允许“管理者”——即操作系统内核来使用
CPU如何判断特权指令和非特权指令呢?
- 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能够识别出特权指令和非特权指令,但是特权指令不是说给了就能执行的,假如黑客攻击,下达了特权指令,CPU得判断是否能够运行特权指令,因此要区分内核态和用户态
(3) 内核态 & 用户态
问题:CPU能判断出指令类型,但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序
or应用程序
?
- 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
(4) 内核态和用户态的切换
问题:如何实现CPU状态的切换?
一个故事
:
- 刚开机时,CPU为“内核态”,操作系统内核程序先上CPU运行
- 开机完成后,用户可以启动某个应用程序
- 操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU,让该应用程序上CPU运行
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”
- 应用程序运行在“用户态”
- 此时,一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令,企图破坏系统...
- CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令,但是自己又处于“用户态'
- 这个非法事件会引发一个
中断信号
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
切换的状态
切换 | 方式 |
---|---|
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 |
- 除了非法使用特权指令之外,还有很多事件会触发中断信号。一个共性是,但凡需要操作系统介入的地方,都会触发中断信号
- 也就是说,只有发生了中断,才能够由
用户态→内核态
下一节讲的就是中断
1.3.2 中断和异常
前面讲了只有中断可以 用户态→内核态,本节讲中断
(1) 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(是整个系统的管理者),一种是应用程序
- 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(第二章进程管理相关内容)
中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
举个例子:
-
如果没有“中断”机制,那么一旦应用程序上CPU运行,CPU就会一直运行这个应用程序(因为切换进程是特权指令,只有进入内核态才能切换进程,这样就没有并发了)
-
内核态→用户态:执行一条特权指令―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
中断的作用
:“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
(2) 中断的类型
① 内中断
内中断:与当前执行的指令有关,中断信号来源于CPU内部
内中断的例子
- 例子1:应用程序在用户态发出了特权指令(可能是黑客要执行的,想要用来控制计算机),此时发生发生中断,处理中断信号的内核程序
- 例子2:执行除法指令时发现除数为0
也就是说,不一定在用户态执行了特权指令才会发生中断;若当前执行的指令是非法的,也会引发一个中断信号
- 例子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
- 本质上还是中断,只不过由陷入指令引发了中断
- 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陷入指令并不是内部指令
② 外中断
外中断:与当前执行的指令无关,中断信号来源于CPU外部
- 例子1:时钟中断——由时钟部件发来的中断信号(
通过内核程序来切换应用进程
)
||
|
| ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |
||
|
|| |
- 例子2:I/O中断一一由输入/输出设备发来的中断信号
打印机当输入输出任务完成时,向CPU发送中断信号
大多数的教材、试卷中,“中断”特指狭义的中断,即外中断。而内中断一般称为“异常”
(3) 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。
中断信号类型 | 中断处理程序指针 |
---|---|
0 | 0中断处理程序 |
1 | 1中断处理程序 |
2 | 2中断处理程序 |
3 | ... |
4 | ... |
5 | ... |
... | ... |
- 显然,中断处理程序一定是内核程序,需要运行在“内核态”
- 具体硬件怎么实现是计算机组成原理要解决的问题
1.3.3 系统调用
(1) 什么是系统调用
知识点回顾: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
(2) 系统调用 VS 库函数
程序 | 说明 |
---|---|
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,有的不涉及不涉及系统调用的 库函数:如“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 |
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 |
(3) 系统调用的必要性
举一个例子
- 生活场景:去学校打印店打印论文,你按下了WPS的“打印”选项,打印机开始工作。你的论文打印到一半时,另一位同学按下了Word的“打印”按钮,开始打印他自己的论文。
- 思考:如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源,会发生什么情况?两个进程并发运行,打印机设备交替地收到WPS和Word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
。
就是要通过内核来协调进程,而不能让进程直接访问硬件
(4) 系统调用的功能
-
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。 -
目的: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
(系统调用的目的)。
类型 | 举例 |
---|---|
设备管理 | 完成设备的请求/释放/启动等功能 |
文件管理 | 完成文件的读/写/创建/删除等功能 |
进程控制 | 完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能(所以切换进程的时候得切换到内核态) |
进程通信 | 完成进程之间的消息传递/信号传递等功能 |
内存管理 | 完成内存的分配/回收等功能 |
拓展:感兴趣的同学可以搜索“
Linux系统调用
”,了解Linux操作系统提供了哪些系统调用
(5) 系统调用的过程
首先是一则示意图
![]() |
![]() |
---|---|
![]() |
![]() |
然后是更详细的图
传递系统调用参数
→执行陷入指令(用户态→ 执行相应的内请求核程序处理系统调用(核心态)→ 返回应用程序
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,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
- 在执行陷入指令之前,首先需要执行传参指令,给后面进行的系统调用传入参数(比如知名系统调用类型等)
- 别名:陷入指令 = trap指令 = 访管指令
重点还是系统调用的过程
1.4 操作系统体系结构
主要是讲解操作系统内核的结构,重点是大内核和微内核
1.4.1 操作系统的内核
(1) 内核的位置 & 功能
- 操作系统还可以进一步划分
- 内核是操作系统最基本、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
。
- 可以看到,操作系统不是所有的功能都属于内核的,比如GUI
- 操作系统的内核需要运行在内核态
- 操作系统的非内核功能运行在用户态
- Ubuntu、CentOS的开发团队,其主要工作是实现非内核功能,而内核都是用了Linux内核
内核的功能:举几个例子
功能 | 说明 |
---|---|
时钟管理 | 利用时钟中断实现计时功能 |
原语 | 原语是一种特殊的程序,具有原子性。也就是说,这段程序的运行必须一气呵成,不可被“中断” ( 其原子性是由硬件实现的 ) |
重大UN处理 | 负责实现中断机制 |
GUI | Ubuntu、CentoS的开发团队,其主要工作是实现非内核功能,而内核都是用了Linux内核 |
(2) 大内核 & 微内核
-
微内核只保留了与硬件接触最紧密的部分,不属于微内核的就运行在用户态,这会对系统的性能造成影响
| 大内核 | 微内核 |
| :----------------------------------------------------------: | :----------------------------------------------------------: |
||
|
-
在大内核中,进程管理、存储管理、设备管理等不直接涉及硬件的都属于内核态
一个故事:现在,应用程序想要请求操作系统的服务,这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理
大内核(两次变态) | 微内核(六次变态) |
---|---|
![]() |
![]() |
注意:变态的过程是有成本的,要消耗不少时间,
频繁地变态会降低系统性能
- 考试的时候不要写
变态
而是CPU的状态转换
主要考察的是优缺点
- 典型的大内核/宏内核/单内核操作系统: Linux、UNIX(因为变态的过程会降低性能)
- 典型的微内核操作系统:Windows NT
(3) 五种分类
后面三种主要是考简单的选择题,了解各种体系结构的特征,了解各自的优缺点
① 分层结构
最底层是硬件,最高层是用户接口,每层可调用更低一层
特性:内核分多层,每层可单向调用更低一层提供的接口
- 比如,只有层1能够调用硬件,层2能够调用层1但不能调用硬件
优点
:
- 便于调试和验证,自底向上逐层调试验证
- 易扩充和易维护,各层之间调用接口清晰固定
便于调试和验证:硬件由厂商验证过了,对于层1的验证,只要验证层1的代码功能即可,层2的代码可以基于层1正确的功能进行调试,逐层往外调试,软件测试很方便
易扩充和易维护:层之间的接口是提前设计好的,如果想要添加一层,那只要对上下层提供同样的接口即可
缺点
:
- 仅可调用相邻低层,难以合理定义各层的边界
- 效率低,不可跨层调用,系统调用执行时间长
有的时候可能需要跨层调用
② 模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能,并规定好各模块间的接口,使各模块之间能通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块,同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法
优点:
- 模块间逻辑清晰易于维护,确定模块间接口后即可多模块同时开发
- 支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核),增强OS适应性
- 任何模块都可以直接调用其他模块,无需采用消息传递进行通信,效率高(比如微内核采用消息传递的方式调用,效率就低)
缺点:
- 模块间的接口定义未必合理、实用
- 模块间相互依赖,更难调试和验证
③ 外核
比较少见
内核
负责进程调度、进程通信等功能- 外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源,且由外核负责保证资源使用安全
- 用户进程program的视角看到的是一整片连续的内存空间,但实际上这连续的空间是经过内核
抽象
过的,在物理上不是连续的。操作系统会将虚拟的内存页面映射到实际的物理页框当中;同样的,分配的外存空间看起来也是连续的,但文件的各个块也可能是离散的
这样的问题:如果某个用户访问的文件要一直随机访问,但是这个文件所处的物理空间是离散的,这样访问的时候就需要不断移动磁头,就会浪费时间;但是如果用户以及知道自己访问的文件是要随机访问的,就可以向外核申请连续的空间
- 外核分配的就是未经抽象的,也就是连续的空间。访问
文件
时,用户可以申请连续的块,用户进程的数据就会分配到连续的块,访问文件就会很快。对于内存
也是,可以分配连续的内存空间
类型 | 特性、思想 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
分层结构 | 内核分多层,每层可单向调用更低一层提供的接口 | 1.便于调试和验证,自底向上逐层调试验证 2.易扩充和易维护,各层之间调用接口清晰固定 |
1.仅可调用相邻低层,难以合理定义各层的边界 2.效率低,不可跨层调用,系统调用执行时间长 |
模块化 | 将内核划分为多个模块,各模块之间相互协作 内核=主模块+可加载内核模块 主模块:只负责核心功能,如进程调度、内存管理 可加载内核极块:可以动态加载新模块到内核,而无需重新编译整个内核;如设备的驱动程序 |
1.模块间逻辑清晰易于维护,确定模块间接口后即可多模块同时开发 2.支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核),增强OS适应性 3.任何模块都可以直接调用其他模块,无需采用消息传递进行通信,效率高 |
1.模块间的接口定义未必合理、实用 2.模块间相互依赖,更难调试和验证 |
宏内核(大内核) | 所有的系统功能都放在内核里(大内核结构的OS通常也采用了"模块化"的设计思想) | 性能高,内核内部各种功能都可以直接相互调用 | 1.内核庞大功能复杂,难以维护 2.大内核中某个功能模块出错,就可能导致整个系统崩溃 |
微内核 | 只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的行式运行在用户态 | 1.内核小功能少、易于维护,内核可靠性高 2.内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃 |
1.性能低:需要频繁的切换用户态/核心态。用户态下的各功能模块不可以直接相互调用,只能通过内核的"消息传递 "来间接通信( 消息传递 指用户态的模块调用时需要进入内核态)2.用户态下的各功能模块不可以直接相互调用,只能通过内核的"消息传递"来间接递信 |
外核(exokernel) | 内核负责进程调度、进程通信等功能,外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源,且由外核负责保证资源使用安全 | 1.外核可直接给用户进程分配"不虚拟、不抽象"的硬件资源,使用户进程可以更灵活的使用硬件资源 2.减少了虚拟硬件资源的"映射层",提升效率(不需要查页表了) |
1.降低了系统的一致性 2.使系统变得更复杂 |
下面仔细介绍以下
1.5 操作系统引导
- 什么是操作系统引导
- 开机的时候,怎么让操作系统运行起来
这个是操作系统运行之前要做的事情,电脑开机加载的过程就是做这个
- 磁盘里面有哪些
相关数据
刚买回来的磁盘就是一个空盘,里面什么都没有,分区了之后
- 其中,CDEF盘是我们可以看到的,使用的分区,但实际上,还有看不到的
- 例如MBR,主引导记录(包含磁盘引导程序和分区表)
- 分区表记录着每个分区的大小和地址范围
- C盘也有分区,以电脑记录PBR:负责找到启动管理器,还有根目录
- 根目录就是我们打开C盘看到的目录
- 操作系统引导的过程
操作系统引导:
- ①CPU从一个
特定主存地址
开始,取指令,执行ROM中的引导程序(先进行硬件自检,再开机) - ②将磁盘的第一块——主引导记录读入内存,执行磁盘引导程序,扫描分区表,找到活动分区
- ③从活动分区(又称主分区,即安装了操作系统的分区)读入分区引导记录PBR,执行其中的程序
- ④从根目录下找到完整的操作系统初始化程序(即启动管理器)并执行,完成“开机”的一系列动作
由③得出,操作系统就是安装在C盘的
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1.6 虚拟机
首先来看传统计算机,在一个物理机上只能允许一个OS
- 可能会导致资源利用率不高,比如如果硬件性能很好,只有一个OS就无法充分运用
- 如下
- 但是在两个机器上,那么一个机器的硬件利用率就不高
- 虚拟机:使用虚拟化技术,将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器(Virtual Machine,
VM
),每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统 - 同义术语:
虚拟机管理程序
/虚拟机监控程序
/Virtual Machine Monitor
/Hypervisor
- 这里的虚拟机和操作系统的虚拟特性不是一个意思
虚拟机
和虚拟机管理程序
不是一个意思
虚拟机一般分两类
第一类VMM,直接运行在硬件上 | 第二类VMM,运行在宿主操作系统上 |
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- 第一类:可以认为双系统就是这样做的吧
- 第二类:一般来说,宿主操作系统就是Windows,常用的第二类VMM,就是VMWare,VMBox了
第一类中:
- CPU、硬盘、内存要划分给多个VM,只需要将时间片、磁盘空间、内存空间分别划分给各个操作系统即可
- 但是只用VMM处于内核空间(因为其余硬件接触最紧密),只有它能够使用特权指令,但是上层的VM并不知道其处于用户空间,当
上层的要使用特权指令
时,VMM会将其截获并转换,模拟出使用成功的假象
第二类VMM中:
- 硬件资源的管理者是宿主操作系统
指标 | 第一类VMM | 第二类VMM |
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对物理资源的控制权 | 直接运行在硬件之上,能直接控制和分配物理资源 | 运行在Host OS之上,依赖于Host OS为其分配物理资源 |
资源分配方式 | 在安装Guest OS时,VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间,类似于"外核"的分配方式,分配未经抽象的物理硬件 | GuestOS拥有自己的虚拟磁盘,该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件。GuestOS分配到的内存是虚拟内存 (大文件,比如在VMware中的.vmdk文件) |
性能 | 性能更好 | 性能更差,需要HostOS作为"中介” |
可支持的虚拟机数量 | 更多,不需要和Host OS竞争资源,相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机 | 更少,Host OS本身需要使用物理资源,Host OS上运行的其他进程也需要物理资源 |
虚拟机的可迁移性 | 更差 | 更好,只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Host OS 上,商业化应用更广泛 (在VMM使用的iso文件就是虚拟机镜像文件) |
运行模式 | 第一类VMM运行在最高特权级(Ring 0),可以执行最高特权的指令。 | 第二类VMM部分运行在用户态.部分运行在内核态。Guest OS发出的系统调用会被VMM截获,并转化为VMM对HostOS的系统调用 |