操作系统（第一章）
操作系统
1、操作系统概念、功能、目标
常见的操作系统：
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Windows
windows系统是微软公司开发的，从上世纪80年的windows1.0开始，到现在的windows10，经历了漫长的30多年。windows系统的电脑，在个人电脑中占据着绝对主流的地位，全球市场占有率高达85%左右。最为典型的代表有：windows98、windowsXP、windows7、windows10。基本上4-5年会出现一个精品。windows电脑的优势：操作简单、入门快速、应用软件众多；windows电脑的缺点：吃内存厉害、对硬件要求高。
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Mac Os
mac Os系统是苹果公司开发的一款高性能的电脑操作系统，深受一些专业人士的喜爱和追捧。Mac Os 系统在图形设计、影视制作等领域有着自己独特的优势，所以，我们在一些专业设计公司，大多看到的是mac Os系统的苹果电脑。mac Os系统目前的市场占有率达到8%左右，是目前电脑市场的第二大操作系统。现在，mac Os也可以在普通的PC电脑上安装使用，如果只是想体验一下，可能通过windows系统的虚拟机来进行安装。
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Linux
Linux系统，对于绝大多数人来说，是比较陌生的。早期的Linux系统，跟微软的dos系统一样，是命令行字符操作模式，没有图片界面，所以，只有一些专业领域的高手才会涉及到，如：网站运维。后来，Linux系统也慢慢推出了图形模式，开始在个人电脑上也能使用了，如：deepin深度系统，centos都提供有图形界面。相对于windows系统，Linux系统占用硬件资源比较少，所以，大多数网站服务器会使用Linux作为操作系统。Linux系统是开源免费的。
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Unix
Unix系统，是一款付费系统，是资格最老的一款电脑操作系统，诞生于上世纪70年代。Unix系统的安全性，在这几个操作系统中是最高的。目前， Unix系统只有命令行界面，没有图形界面，现在大多用在企业级别的服务器上，如：银行、电信等，很多公司的研发系统也是使用Unix系统平台的。还有一些操作系统是基于Unix系统开发的，如：苹果的mac Os系统。
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Android
1.1、概念
裸机 -- > 操作系统 -- > 应用程序 -- > 用户
操作系统：
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负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
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为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
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操作系统是系统软件，而不是硬件
操作系统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操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？
补充知识：进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序房贷内存中，才能被CPU处理、
例如：
- 找到QQ相应文件夹 （文件管理）
- 双击打开QQ.exe （需要把该程序相关数据存放到内存当中）
- QQ程序正常运行 （对应的进程被处理机CPU处理）
- 开始视频聊天 （设备管理，需要将摄像头设备分配给进程）
②操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？
命令接口：允许用户直接使用 包括：联机命令接口、脱机命令接口
程序接口：允许用户通过程序间接使用 由一组系统调用组成（程序接口=系统调用）
GUI：线代操作系统中最流行的图形用户接口 用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不需要再记忆复杂的指令。
联机命令接口=交互式命令接口
特点：用户说一句，系统做一句
脱机命令接口=批处理命令接口
特点：用户说一堆，系统做一堆
③操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？
需要提供的功能和目标：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称为扩展机器，又称之为虚拟机。
1.2、特征
四个特征：并发、共享、虚拟、异步
并发和共享是最基本的，二者互为存在条件
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，但在微观上是交替发生的。
并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责多个程序交替执行（并发）
事实上，操作系统是伴随着“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。
共享：即共享资源，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"对他们进行访问
所谓“同时”，是指在宏观上，微观上是交替地对该进程进行访问的。（分时共享）
并发和共享的关系：
并发性指计算机系统中同时存在多个运行着的程序。
共享性指系统中的资源可供内存多个并发执行的进程共同使用。
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。
一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行
时分复用技术（虚拟处理器）：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。
空分复用技术（虚拟存储器技术）：
没有并发性就谈不上虚拟性。
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。
显然，如果失去了并发性，则系统只能串行地处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
1.3、发展与分类
（1）手工操作阶段
主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致计算机资源利用率极低。
（2）批处理阶段
单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术，并监督程序负责控制作业的输入、输出
主要优点：缓解了一定程度的人及速度矛盾，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。
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）
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，各个用户可以通过终端与计算机进行交互。
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，循环的为每个用户/作业服务一个时间 片，不区分任务的紧急性。
实时操作系统：
主要优点：能够优先响应一写紧急任务，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。
1.4、运行机制和结构
什么是指令？
一条高级代码翻译过来可能对应多条指令。指令就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。
两种指令：
特权指令：如内存清零指令（不允许用户程序使用的一些高级指令）
非特权指令：如普通的运算指令
两种处理器状态：用程序状态字寄存器（PSW）中的某些标志位来识别当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态
用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
核心态（管态）：此时CPU可以执行特权、非特权指令
两种程序：
内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可执行非特权指令，运行在核心态。
应用程序：为了保证系统的安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。
操作系统中哪些功能应该由内核程序实现呢？
