操作系统学习Part1

1.1 什么是操作系统

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件的软件资源，并合理的组织调度计算机的工作和资源分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；是计算机系统中最基本的系统软件

  • 操作系统是系统资源的管理者

    • 提供功能：

      • 处理机管理

      • 存储器管理

      • 文件管理

      • 设备管理

    • 目标：安全高效

  • 操作系统的功能和目标：

    • 向上层提供方便易用的服务

  • 联机命令接口(交互式命令接口)：

    • 特点：用户说一句，系统跟着做一句

  • 脱机命令接口(批处理命令)：

    • 特点：用户说一堆，系统做一对

  • 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。

    • 系统调用类似函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式

  • 操作系统需要实现对硬件机器的拓展，通常把覆盖率软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机

1.2 操作系统的特征

操作系统的特征：

  1. 并发

    • 概念：指两个或者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。

    • 并行：指两个或者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。

    • 操作系统是伴随着多程序技术而出现的，所以，操作系统和程序并发是一起诞生的

    • 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

    • 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

  2. 共享

    • 概念：即资源共享，是指操作系统中地资源可供内存中多个并发执行的进程共同调用

    • 两种资源共享方式：

      1. 互斥共享方式：程序中的某些资源，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。

      2. 同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段有多个进程”同时“对它们进行访问。（此处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））

    • 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去了存在的意义

    • 如果失去共享性，则不同应用不能同时访问某一资源，则无法实现并发

    • 所以并发性和共享性互为存在条件

  3. 虚拟

    • 概念：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）是存在的，而逻辑上的对应物（后者）是用户感受到的。

    • 空分复用技术（虚拟存储器技术）

    • 时分复用技术（虚拟处理器技术）：微观上处理机在各个微小的时间段内交替为各个进程服务

    • 如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需要运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性就谈不上虚拟性

  4. 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

    • 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

1.3 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. 批处理阶段——单道批处理系统

    • 引入脱机输入/输出系统（用外围机和磁带完成），并由监督程序负责控制作业输入、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，只有该程序结束运行之后才能调入下一道程序。CPU有大量的事件是在空闲等待IO完成，资源的利用率仍然很低

  3. 批处理阶段——多道批处理系统

    • 每次可以往内存中读入多道程序，支持多道程序的并发运行

    • 主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升，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

  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：用户的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，某些紧急任务不需要时间片排队

    • 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

    • 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理

    • 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定

1.4 操作系统的运行机制

程序时如何运行的：

  • 高级语言编写的代码经过编译器的编译，变成了二进制的机器语言，一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令。程序运行的过程就是CPU执行一条一条的机器指令的过程。

  • 指令时处理器能识别、执行的最基本命令

普通程序员写的程序就是应用程序。

负责实现操作系统的程序员写的是内核程序，由很多内核程序组成了”操作系统内核“，或者简称”内核“。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。

两种指令

操作系统内核作为管理者有时会让CPU执行一些特权指令，比如内存清零操作，这些指令影响重大，只允许管理者——操作系统内核来使用。应用程序只能使用非特权指令，比如加法指令，乘法指令等。

程序运行的过程就是CPU执行一条条机器指令的过程。

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

两种状态

CPU有两种状态，内核态和用户态

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

出于用户态时，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中有一个寄存器叫做数字状态字寄存器(PSW)，其中有个二进制位，1表示内核态，0表示用户态

别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态

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

注意：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。在中断信号触发后，CPU会自动处理中断信号对应的内核程序。

1.5 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

操作系统内核程序是整个系统的管理者。

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。

中断是操作系统夺回CPU使用权的唯一途径，如果没有中断机制，那么一旦应用程序在CPU上运行，CPU就会一直运行这个应用程序，那么并发性就无从实现。

中断的类型

  • 内中断（也称异常，例外）：

    • 与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部

    • 例子：

      1. 试图在用户态下执行特权指令

      2. 执行除法指令时发现除数是0

      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，这个指令会引发一个中断信号。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。

    • 异常的分类：

      1. 陷阱，陷入：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的

      2. 故障：由错误条件因此的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障

      3. 终止：由致命故障引起，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，例如：整数除0，非法使用特权指令

  • 外中断（狭义的中断）：

    • 与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部

    • 例子：

      1. 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

        • 时钟部件每隔一个时间片会给CPU发送一个时钟中断信号

      2. IO中断——由IO设备发来的中断信号

        • 当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号

    • CPU在每条指令执行结束之后都会例行检查是否有外中断信号

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检测到中断信号之后，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。

显然中断处理程序一定是内核程序，是需要在内核态运行的

1.6 系统调用

系统调用是操作函数给应用程序使用的接口，可以理解为一种可供应用程序使用的特殊函数，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。

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有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，IO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。

系统调用的过程

传递系统调用参数---->在用户态下，执行陷入指令---->在核心态下，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

1.7 操作系统的体系结构

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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哪些程序就是内核程序

  • 时钟管理，中断处理，原语这三个部分是与硬件联系较为紧密的模块。

  • 进程管理，存储器管理，设备管理等，这些管理工作更多的是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件。

内核的分类

大内核

  • 将所有系统功能部分都包括在内核中，这种内核被称为大内核

    • 优点：高性能

    • 缺点：

      1. 内核代码庞大，结构混乱，难以维护

      2. 大内核中某个模块出错，就可能导致整个系统崩溃

微内核

  • 只保留与硬件联系紧密的模块，这种内核被称为微内核

    • 优点：内核功能少，结构清洗，方便维护，可靠性高

    • 缺点：

      1. 需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

      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

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需要运行在用户态

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分层结构

内核分为多层，每层可以单项调用更低一层的接口。最底层是硬件，最高层是用户接口，每一层可调用更低一层。

优点：

  1. 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证

  2. 易于维护和扩充，各层之间调用的接口清晰固定

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，不可跨阶层调用，系统调用执行时间长

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：可动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核，例如设备的驱动程序，仅仅影响系统的可拓展性

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. 模块之间的接口定义未必合理，实用

  2. 模块之间相互依赖，难以调试和验证

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. 外核可直接给用户进程分配不虚拟，不抽象的硬件资源，使得用户进程可以更灵活的使用硬件资源

  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

1.8 操作系统引导

什么是操作系统一电脑开机的时候让操作系统运行起来的

磁盘中的数据

安装操作系统后，磁盘的内部划分为:

  • 主引导记录MBR：包含

    • 磁盘引导程序

    • 分区表

      • 一个数据结构，说明了磁盘中每个盘所占的分区范围

  • C:盘

    • 引导记录PBR:负责找到启动管理器

    • 根目录

      • 双击打开C盘中看到的

    • 其他

  • D:盘

  • ...

操作系统的数据主要存储在主存中，主存主要划分为

  • RAM

    • 只要关机或断电，里面的数据就会清空

  • ROM：存储BIOS

    • 其中数据不会因关机或断电消失

    • BIOS，即基础输入与输出系统

    • 包含ROM引导程序，即自举程序。开机后，计算机会找到ROM引导程序并执行

    • 执行ROM引导程序的作用：

      • 指示CPU去把硬盘的主引导记录读入内存，CPU回去执行磁盘引导程序，并且根据分区表判断C盘的所处位置，接下来读入C盘的第一部分的引导数据——PBR引导记录。

      • CPU接下来执行引导记录中的程序，这个程序的作用是负责找到启动管理器。

      • 启动管理器这个程序通常存放在根目录下面的某个位置，从根目录中找到并交由CPU执行。这个启动管理器会完成操作系统初始化的一系列工作

开机过程

  • 操作系统引导

    1. CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序(先进性硬件自检，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. 从根目录下找到啦完整的操作系统初始化程序(即启动管理器)并执行，完成“开机”的一系列动作

1.9 虚拟机

传统计算机：一台物理机器上只能运行一个操作系统，一个操作系统上又分为多个用户空间。用户空间是运行在各操作系统上的进程。

  • 缺点：造成物理资源的极大浪费

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，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。需要用到虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/VMM

VMM分类

  1. 第一类虚拟机管理程序：

    • 直接运行在硬件之上，由虚拟机管理程序会把一个物理机器虚拟化为多态虚拟机器，会把一个总的硬件资源划分为多个部分，分别给各个虚拟机来使用。

    • 类似于传统操作系统，会直接管理并分配这些硬件资源，只有虚拟机管理程序运行在内核态，上层的操作系统（运行在虚拟空间）想要使用特权指令的时候，这个动作行为会被虚拟机管理程序截获，虚拟机管理程序会将上层需要的特权指令进行一些转换

  2. 第二类虚拟机管理程序：

    • 运行在一个宿主操作系统(Host OS)上

    • 在虚拟机管理程序之上，安装一个客户操作系统，想要给虚拟机器分配硬件资源，只能请求操作系统给他分配，再由管理系统进行再分配。

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两类虚拟机管理程序对比

 第一类VMM第二类VMM
对物理资源的控制权 直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源 运行在HostOS之上，依赖于HostOS为其分配物理资源
资源分配方式 在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于“外核”的分配方式，分配未经抽象的物理硬件 Guest OS拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件。Guest OS分配到的内存是虚拟内存
性能 性能更好 性能更差，需要HostOS作为中介
可支持的虚拟机数量 更多，不需要和HostOS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机 更少，HostOS本身需要使用物理资源，HostOS上运行的其他进程也需要使用物理资源
虚拟机的可迁移性 更差 更好，只需到处虚拟机镜像文件即可迁移到另一台HostOS上，商业化应用更加广泛
运行模式 第一类VMM运行在最高特权级（Ring 0），可以执行最高特权的指令 第二类VMM部分运行在用户态，部分运行在内核态。GuestOS发出的系统调用会被VMM截获，转化为VMM对HostOS的系统调用。
posted @ 2024-01-23 00:40  zakarRoman  阅读(1)  评论(0)  编辑  收藏  举报