[豪の学习笔记] 操作系统#001
1.1.1 - 操作系统的概念、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。
①操作系统是系统资源的管理者
提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全、高效
②向上层提供方便易用的服务
GUI(图形化用户接口)
联机命令接口(交互式命令接口)
脱机命令接口(批处理命令接口)
程序接口(通过程序代码间接使用)(也称作广义指令)
③是最接近硬件的一层软件
实现对硬件机器的拓展
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机
1.1.2 - 操作系统的特征
①并发
并发是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，但在微观上是交替发生的；并行是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
操作系统的并发性是指计算机系统中“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一起诞生的。
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。
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
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
并发性与共享性互为存在条件：
如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在意义
如果失去共享性，则不能同时访问硬盘资源，同时发送文件，也就无法实现并发
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，物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。
虚拟存储器：空分复用技术
虚拟处理器：时分复用技术
无并发性也就谈不上虚拟性
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，此为进程的异步性。
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本特征
1.2 - 操作系统的发展和分类
①手工操作阶段
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单道批处理系统
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。
③多道批处理系统
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)
④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：用户请求可以被及时响应，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。
⑤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
硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理 eg：导弹控制系统、自动驾驶系统
软实时系统：能接受偶尔违反时间规定 eg：12306火车订票系统余票显示
⑥其他
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和各台计算机之间的通信。
分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性，系统中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
1.3.1 - 操作系统的运行机制
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)能够识别、执行的最基本命令
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
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，只允许操作系统内核来使用
应用程序只能使用”非特权指令“，如：加法指令
CPU有两种状态，”内核态“和”用户态“，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“
处于内核态(核心态/管态)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(目态)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
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(除了非法使用特权指令以外，还有很多事件会触发中断信号，共性是但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号)意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
1.3.2 - 中断和异常
①中断的作用
CPU上会运行两种程序，一种是操作内核程序，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。
“中断”会使CPU由用户态变为内核态，让操作系统重新夺回对CPU的控制权
②中断的类型
内中断(也称异常、例外)：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
1. 陷阱、陷入(trap)：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
2. 故障(fault)：由错误条件引起的，可能被内核程序修复，内核程序修复故障后会把CPU使用权换给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。
3. 终止(abort)：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：整数除0、非法使用特权指令
外中断(也称“中断”，狭义上的中断)：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
1. 时钟中断
2. I/O中断请求
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。
检查中断信号
内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生
外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
找到相应的中断处理程序
通过“中断向量表”实现
1.3.3 - 系统调用
①何为系统调用，有何作用
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系统调用与库函数区别
③什么功能要用系统调用实现
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。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。
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
进程管理：完成进程的 创建/撤销/阻塞/唤醒 等功能
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
④系统调用的过程
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
1.4 - 操作系统的体系结构
①操作系统的内核
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。
宏内核(大内核)
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
优点：
性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用
缺点：
1. 内核代码庞大，结构混乱，难以维护
2. 大内核中的某个功能模块出错，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形式运行在用户态
优点：
1. 内核功能少，结构清晰，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
缺点：
1. 性能低，需要频繁地在核心态和用户态之间切换，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
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”来间接通信
②分层结构
内核分多层，每层可单向调用更低一层的接口
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
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，系统调用的执行时间长
③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
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核
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
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
④外核(exokemel)
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像的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全
优点：
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地使用硬件资源
2. 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率
缺点：
1. 降低了系统的一致性
2. 使系统变得更复杂
1.5 - 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
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，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(启动管理器)并执行，完成“开机”的一系列动作
1.6 - 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
