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. ① 操作系统是系统资源的管理者
  2. ②向上层提供方便易用的服务
  3. 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

  1. 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

  1. 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

  1. 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。

  1. 两个进程正在并发执行（并发性)
  2. 需要共享地访问硬盘资源（共享性）

关系：

  1. 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
  2. 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
  3. 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：

  1. 用户将程序打到纸带上（超慢）
  2. 纸带机读取纸带上的程序（慢）
  3. 计算机执行程序（超快）
  4. 计算机将执行结果打到纸带上（慢）
  5. 用户读取纸带机上的结果（超慢）

时间流程图如下

主要缺点：

  1. 用户独占全机
  2. 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：

  1. 刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行
  2. 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
  3. 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”

  1. 应用程序运行在“用户态”
  2. 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...
  3. 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'
  4. 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

  1. 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

  1. 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

  1. 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）
    | | |
    | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |
    | | |
    | | |
  1. 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 ...
... ...
中断向量表
  • 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
系统调用(按功能分类)

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:

  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. 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）
  4. 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：

  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

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：

  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

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：

  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（比如微内核采用消息传递的方式调用，效率就低）

缺点：

  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
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

  1. 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

  1. 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
  1. 操作系统引导的过程

操作系统引导:

  1. 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. 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. 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. 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
  • 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
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
两类虚拟机管理程序VMM的对比

posted @ 2023-08-15 23:00  Crispy·Candy  阅读(21)  评论(0)  编辑  收藏  举报