01-什么是操作系统

01-什么是操作系统

操作系统

什么是操作系统，没有一个明确的定义。
用户角度上，操作系统是一个控制软件
管理应用程序
为应用程序提供服务
杀死应用程序
资源管理
管理外设、分配资源

虚拟化

操作系统将cpu虚拟化为进程
磁盘虚拟化为文件
内存虚拟化为地址空间

操作系统的层次架构

硬件之上
应用程序之下

应用程序指办公软件、视频播放软件
操作系统位于应用软件之下，为应用软件提供服务支撑

学习操作系统我们主要学习什么

Linux、Windows、Android的界面属于外壳（Shell）, 而不是内核（kernel）Kernel是我们的研究重点，在Shell之下

Kernel-操作系统内部组件 包括
CPU调度器
物理内存管理
虚拟内存管理
文件系统管理
中断处理与设备驱动

OS kernel的特征

• 并发
  在一段时间内有多个程序可以运行，与并行不同，并行是指在一个时间点上有多个程序可以执行 （有多个cpu才能实现并行）
  计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度
• 共享
  同时访问
  互斥共享
• 虚拟
  利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务
• 异步
  程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知
  但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行结果也要相同

为什么要学习操作系统？

一门综合课程

• 程序设计语言
• 数据结构
• 算法
• 计算机体系结构
• 材料
• 操作系统概念和原理，源代码
• 技能
• 操作系统的设计和实现

已经有了很多操作系统。例如windows、linux
为什么要学习操作系统？
操作系统还在不停的发展、在工控等各种领域有强烈的需求
操作系统很酷、很有用、有挑战
有趣！
操作系统是计算机科学研究的基石之一
是计算机系统的基本组成由硬件的发展和应用需求所驱动
学术和工业的持续推进

顶级会议
SOSP
USENIX

操作系统很大 windows xp 有4500万行
实际操作系统 挑核心的去了解
操作系统管理并发 并发导致有趣的编程挑战
操作系统代码管理原始硬件 时间依赖行为、非法行为、硬件故障
操作系统代码必须是高效的，低耗CPU、内存、磁盘的
操作系统出错，就意味着机器出错
操作系统是系统安全的基础

操作系统需要权衡-----------------------------
空间与时间
性能和可预测性
公平和性能

如何学习操作系统

动手

操作系统实例

面向桌面 面向服务 面向终端 面向工控

操作系统的历史

顺序执行->批处理
内存的容量越来越大，CPU执行多个程序 多道程序设计
为了更好的利用算力资源，并且更好的和用户交互，出现了分时系统 分时系统就是如果同一时刻有两个程序在运行，假如分时系统的时间是千分之一秒，那么每千分之一秒程序就进行切换一次，人的感觉就好像两个程序在同时运行
个人操作系统
多核多处理操作系统 紧耦合
分布式操作系统 松耦合

操作系统结构

简单操作系统 MS-DOS(1981-1994) 不分模块的单体内核
单体模块化的操作系统 例如：Unix操作系统 文件系统 内存管理 调度 进程线程管理 使用时钟，磁盘，中断服务等实现硬件的管理
微内核的设计，尽可能把内核功能移到用户空间 中断处理，消息传递在内核中完成 文件系统、内存管理放在外围，以程序的方式存在，相互之间通过消息传递的方式联系，实现松耦合，性能比较低 现在工业界使用比较少
外核 有一层SO kernel 外层有很多lib OS类似于应用，lib OS和SO kernel之间采用紧耦合 仅在学术界有研究
VMM 虚拟机监控器 将一台计算机虚拟成多台计算机