一，操作系统的概念

操作系统(OperatingSystem，0s)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。

操作系统的特点：

1. 操作系统是系统资源的管理者（操作系统的重点）

   

   补充知识：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

2. 向上层提供方便易用的服务

   封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。

   操作系统提供的服务：

   1. GUI图形化用户接口(Graphical UserInterface)
   2. 联机命令接口实例：(Windows系统)联机命令接口=交互式命令接口(cmd里面执行命令)。
   3. 脱机命令接口实例：(Windows系统)脱机命令接口=批处理命令接口(.bat文件的命令)。
   4. 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，
      只能通过程序代码间接使用。（c语言中printf底层就是使用了这个)

   联机命令接口(说一句做一句)和脱机命令接口(说一句做一堆)的区别在于说一句做一句还是说一堆做一堆。

   ​ 有的教材中将2，3，4统称为用户接口。

3. 是最接近硬件的一层软件

   操作系统需要实现对硬件机器的拓展

   没有任何软件支持的计算机叫裸机。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叫扩充机器，又称之为虚拟机。

操作系统对硬件机器的拓展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

1.2，操作系统的四个特征

1.2.1 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。
常考易混概念--并行: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是一起诞生的。

注意(重要考点)

• 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

  比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU，意味着可以并行地执行4个程序。

  即使是对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要“同时”运行，那么并发性依然是必不可少的，因此并发性是操作系统一个最基本的特性

1.2.2 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。

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)。

1.2.3 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(前者)是实际存在的，而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

举例：

1.2.4 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，这就是进程的异步性。

由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。

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。
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的特征

二，操作系统的发展与分类

2.1 手工操作阶段

2.2 批处理阶段-单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术(用外围机+磁带完成)，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/0完成。资源利用率依然很低。

2.3 批处理-多道批处理系统

2.4 分时操作系统

2.5 实时操作系统

2.6 其他操作系统

三，操作系统的运行机制

应用程序和内核程序

• 我们普通程序员写的程序就是“应用程序
• 微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序
• 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
• 操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI

两种指令：

• 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

• 特权指令：

  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“管理者”--即操作系统内核来使用

• 非特权指令：

  应用程序只能使用“非特权指令”，如:加法指令、减法指令等

两种处理器状态

cpu有两种状态：

• 核心态

  处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令

• 用户态

  处于用户态时，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

• 拓展：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。

内核态、用户态的切换

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。

除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

四，中断和异常

4.1 中断的作用

4.2 中断的类型

内中断举例：

外中断：

4.3 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。

五，系统调用

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

5.1 系统调用与库函数的区别

5.2 为什么系统调用是必须的：

5.3 系统调用的分类：

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/0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。

5.4 系统调用的过程：

六，操作系统的体系结构

操作系统的结构意思是架构，即操作系统的每一种架构的分类，而不是一个操作系统里面有这些结构哦。

6.1 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

内核体系结构分为：大(宏)内核和微内核俩种体系结构

• 把所有运行结构包含在其中的叫大内核(宏)。

  经典大内核操作系统：Linux,UNIX

• 只保留与硬件最紧密的部分叫微内核

  经典微内核操作系统：Windows NT

6.2 分层结构

特性，思想：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. 易扩展和易维护，各层之间调用接口清晰稳定。

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，系统调用执行时间长。

6.3 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，无需采用信息传递进行通信，效率高。

缺点：

1. 模块间的接口定义未必合理，使用。
2. 模块间相互依赖，更难调试和验证。

6.4 外核

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象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全

优点：

1. 外核可以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的使用硬件资源。
2. 减少了虚拟硬件的映射层，提升了效率。

缺点：

1. 降低了系统的一致性。
2. 让系统变的更加复杂。

七，操作系统引导

操作系统的引导：开机的时候如何让操作系统运行起来就是操作系统的引导。

操作系统引导（boot）开机过程：

主存分为：

• RAM：

  平时说的电脑内存多少说的就是RAM

  RAM里面的数据一断电就被清空。

• ROM：

  这个是ROM芯片，被集成在电脑主板上。里面存储的是基本输入输出系统(BIOS)里面包含了自举程序。

  ROM里面的数据不会因为断电而丢失。

一个安装了操作系统的磁盘里面的结构：

磁盘引导程序：cpu通过执行磁盘引导程序来读入c盘的引导记录PBR

分区表：存储了当前磁盘中每个分区的大小，地址范围的数据结构。

​

八，虚拟机

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(VirtualMachine,M)，每个虚拟机器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

虚拟机管理程序分为：

1. 直接运行在硬件上

   

2. 运行在操作系统上