第一章

第一章

操作系统的 概念（定义） 功能和目标

什么是操作系统，它要做什么？

操作系统：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。

• 是系统资源的管理者（处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理）
• 向上层提供方便易用的服务
  • 给普通用户用的：GUI图像界面、命令接口（又分为联机命令接口、脱机命令接口：例如用搜索功能，找到某个文件，其特点：用户说一堆，系统跟着做一堆）；
  • 给程序员用的：程序接口（系统调用）
• 是最接近硬件的一层软件。

层次：

用户

应用程序（软件

操作系统

硬件

系统调用

“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，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

小例子:为什么系统调用是必须的?

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， 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。

什么功能要用到系统调用?

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。

凡是与共享资源有关的操作、会 直接影响到其他进程的操作，就 一定需要操作系统介入，就需要 通过系统调用来实现

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

注意别名： 陷入指令 = trap 指令 = 访管指令

操作系统的 四个特征

并发、共享、虚拟、异步

其中，并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件

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。老渣男，一天之内和两个女朋友约会，但是上午一个下午一个，就是并发。

并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。小渣男同时和两个女朋友约会，就是并行。

带入计算机：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

操作系统的并发性：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。

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。

两种资源共享方式

互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源

同时共享方式：一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问，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

并发和共享的关系：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，则共享性失去存在的意义；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

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。

问题1：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。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。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:这是一种空分复用技术“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

问题2：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

答:这是一种时分复用技术。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

异步

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。

例如，老渣男：一号二号上午一号二号下午；或者是一号上午，二号下午。无法判断选择哪种走向，但是都有可能。

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。

操作系统的 发展与分类

手工操作阶段
单道批处理系统
多道批处理系统(操作系统开始出现)
分时操作系统
实时操作系统
...................….
网络操作系统
分布式操作系统
个人计算机操作系统

单道批处理系统

通过外围机把程序提前存到磁带里，引入脱机输入/输出技术，并由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。

多道批处理系统

每次往内存中读入多道程序；操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行

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)

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。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。

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

分类

硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如: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，如:12306火车订票系统

其他几种操作系统

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。

个人计算机操作系统:如Windows XP、MacOS，方便个人使用。

操作系统的 运行机制

• 两种指令
  • 特权指令
  • 非特权指令
• 两种处理器状态
  • 核心态
  • 用户态
• 两种程序
  • 内核程序
  • 应用程序

指令

特权指令︰如内存清零指令(不允许用户程序使用)

非特权指令︰如普通的运算指令

处理器状态

核心态(目态)：特权指令、非特权指令都可执行

用户态(管态)：此时CPU只能执行非特权指令

用程序状态字寄存器(PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态

状态切换

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，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

两种程序

内核程序

应用程序

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

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

中断和异常

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，一种是应用程序。“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

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”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径 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

没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发

中断的类型

内中断（也叫异常）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
外中断（也叫中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

内中断

例子 1：试图在用户态下执行特权指令

例子 2：执行除法指令时发现除数为 0

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【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】

外中断

例子 1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

中断机制的基本实现原理

• 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

操作系统体系结构

• 时钟管理：实现计时功能
• 中断处理：负责实现中断机制
• 原语：是一种特殊的程序、处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分这种程序的运行具有原子性、其运行只能一气呵成，不可中断、运行时间较短、调用频繁

大内核、小内核

使用区别

注意： 操作系统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

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

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:高性能

缺点︰内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核

只把最基本的功能保留在内核

优点:内核功能少，结构清晰，方便维护

缺点∶需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

应用

典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统： Linux、UNIX

典型的微内核 操作系统： Windows NT

和早期的OS相比，采用微内核结构的OS具有许多优点，但是不包括（ B）。
A）提高了系统的可扩展性； B）提高了OS的运行效率
C）增强了系统的可靠性； D) 使OS的可移植性更好。