操作系统——概述
操作系统（OS）
1.计算机系统概述
1.简介
什么是操作系统？
操作系统（Operating Ststem， 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。
操作系统在系统中的位置
操作系统的功能和目标
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系统资源的管理者
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文件管理
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内存管理
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处理机（CPU）管理
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设备（计算机硬件，例如摄像头）管理
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用户和计算机硬件之间的接口
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对硬件机器的拓展
操作系统的四个特征
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并发性: 指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
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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
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并行: 指两个或多个事件在同一时刻同时发生
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共享
共享即资源共享，是指系统中的资源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:
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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。
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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。
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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。
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空分复用(虚拟存储器)
4G内存电脑拥有,同时运行超过4G运行空间的程序
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时分复用(虚拟处理器)
CPU时间片轮转
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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。
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只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
2.操作系统的发展和分类
手工操作阶段
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人—字带机—计算机—-字带机人
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主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率低
批次处理阶段—单道批处理系统
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引入脱机输入/输出技术（利用磁带技术），并监督程序负责控制作业的输入，输出
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人—自带机—-外围机—磁带—计算机—磁带—……
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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
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主要缺点：内存中仅能由一道程序运行，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
批处理阶段—多道批处理系统
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在磁带部分，每次往内存中输入多道程序
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操作系统正式诞生，并引入中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。
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主要优点:多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
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主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提升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
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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
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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
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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，不能区分任务的紧急性。
实时操作系统
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主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。
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在实时操作系统的控制下，计算机系统接收道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。
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分类：
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硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
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软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定
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其他操作系统
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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（如文件的共享）和各个计算机之间的通信。（如：Windows NT
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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，由他们并行，协同完成这个任务。
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个人计算机操作系统：如Windows xp，MacOs
3.操作系统的运行机制和体系结构
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指令
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CPU
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程序
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操作系统的内核
内核是计算机上配置的底层软件, 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
由于内核划分功能的不同，内核分为大内核和微内核。
内核功能
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接近硬件
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时钟管理, 中断处理, 原语(设备驱动, CPU 切换)
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原语最接近硬件的部分, 这种程序的运行具有原子性, 运行短, 调用频繁
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接近上层
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进程管理, 存储器管理, 设备管理等... (不同操作系统划分不同)
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大内核和微内核的优缺点
类比:
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操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。
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内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接
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大内核:企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高;缺点是组织结构混乱，难以维护。
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微内核:随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作。优点是组织结构清晰，方便维护;缺点是效率低。
4.中断和异常
1.概念和作用
中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。（本质: 发生中断就意味着操作系统需要介入,展开管理工作）
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当中断发生时，CPU立即进入核心态
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当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理。
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对于不同的中断信号，会进行不同的处理。
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有了中断，才能实现多道程序并发执行。
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“用户态→核心态”是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。“核心态→用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（ PSW）的标志位设置为 “用户态”。
2.中断分类
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中断信号的来源来自CPU内部称为内中断，外部称为外中断。
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内中断 (
异常
, 例外, 陷入), 来自 CPU
内部
与当前执行指令
有关
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陷阱, 陷入 (trap)
系统调用时使用的访管指令
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故障 (fault)
硬件故障 --- 缺页
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终止 (abort)
软件故障 --- 除0, 不可恢复的致命错误
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外中断 (中断), 来自 CPU外部, 与当前执行的指令无关
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外设请求 --- I/O操作完成发出信号
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人工干预 --- 用户强行终止进程, kill
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5.系统调用
1.含义
“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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
2.作用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。
3.系统调用和库函数的区别
编程语言（c,java）中里边有很多库函数，其实它们（不是所有的库函数）就是将系统调用封装起来，隐藏一些细节，使上层进行系统调用更加方便。
4.其他
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系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态。
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