操作系统
操作系统的概念、功能和目标
知识总览
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操作系统的概念（定义）
计算机系统的层次结构
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操作系统定义：
操作系统（Operating System，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。
操作系统的功能和目标
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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）。
② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务。
③ 操作系统作为最接近硬件的层次。
作为系统资源的管理者
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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放到内存中，才能被 CPU 处理。
案例：用 QQ 和 朋友视频聊天的过程：
- 在各个文件夹中找到 QQ 安装的位置。（文件管理，逐层打开文件夹，找到 QQ.exe 这个程序(可执行文件)的存放位置）。
- 双击打开 QQ.exe。（存储器管理，需要把该程序相关数据放入内存）。
- QQ 程序正常运行。（处理机管理，对应的进程被处理机 (CPU) 处理）。
- 开始和朋友视频聊天。（设备管理，需要将摄像头设备分配给进程）。
作为用户和计算机硬件之间的接口
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命令接口：允许用户直接使用。
程序接口：允许用户通过程序间接使用。
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口。
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易懵概念：系统调用 = 程序接口 = 系统调用命令 = 广义指令
联机命令接口（交互式命令接口）：黑窗口（ Win+R ）
脱机命令接口（批处理命令接口）：批处理文件（*.bat 文件）
程序接口：C:\Windows\System32\user32.dll，（dll 动态链接库文件）只能通过用户程序间接使用。
GUI：图形用户界面（Graphical User Interface）
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作为最接近硬件的层次
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需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的扩展。
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充机器，又称之为虚拟机。
这体现了封装思想。
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操作系统的四个特征
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并发和共享是两个最基本的特征，两者互为存在条件。
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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。
并发 VS 并行
eg. 假设小渣和老渣每人有两个女朋友。任务1：和一号约会；任务2：和二号约会...
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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。
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
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协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时进行）。
事实上，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。
当今的计算机，一般都是多核 CPU，比如 Intel 的第八代 i3 处理器就是 4 核 CPU，这意味着同一时刻可以有 4 个程序并行执行，但是操作系统的并发性仍然必不可少，当代人使用计算机绝对有 4 个以上的程序需要同时工作。
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。
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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：
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。
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磁盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。
并发和共享的关系
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性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。
通过一个例子来看并发与共享的关系：
使用 QQ 发送文件 A，同时使用微信发送文件 B。
- 两个进程正在并发执行（并发性）【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】
- 需要共享地访问磁盘资源（共享性）【如果失去共享性，则 QQ 和微信不能同时访问磁盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发】
并发和共享的关系就是：并发性与共享性互为存在条件。
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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案例一：
背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配 CPU 才能执行。
LOL 需要 4GB 的运行内存，QQ 需要 256 MB 的内存，迅雷需要 256 MB 的内存...
我的电脑：4GB 内存
问题：这些程序同时运行需要的内存远大于 4 GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？
答：这就是虚拟存储器技术。实际只有 4 GB 的内存，在用户看来似乎远远大于 4 GB。
虚拟技术中的 “空分复用技术”。
案例二：
背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配 CPU 才能执行。
某单核 CPU 的计算机中，用户打开了以下软件...QQ、微信、酷狗、迅雷......
问题：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 4 个 CPU 在同时为自己服务。
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。
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。
案例：
老渣要和两个女孩并发约会
一号的指令 1：老渣陪我吃饭
一号的指令 2：老渣把心给我
二号的指令 1：老渣把心给我
二号的指令 2：老渣陪我吃饭
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与一号、二号的约会相当于对两个进程的处理，每个进程都有各自需要执行的指令。
老渣的心相当于有限的系统资源。由于可分配的资源有限，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。
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。
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重要考点：
理解并发和并行的区别 ☞并发VS并行.
并发和共享互为存在条件 ☞并发和共享的关系.
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。
操作系统的发展与分类
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学习提示：重点理解各阶段的优点和缺点。各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点。
手工操作阶段
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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。
批处理阶段
引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序(操作系统的雏形)负责控制作业的输入、输出。
单道批处理系统
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单道批处理系统
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（串行执行）。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
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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）。
问题：为何多道批处理系统能使资源利用率大幅提升？
假设计算机需要处理三个作业
作业一：输入 1 秒，计算 1 秒，输出 1 秒。
作业二：输入 1 秒，计算 1 秒，输出 1 秒。
作业三：输入 1 秒，计算 1 秒，输出 1 秒。
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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。
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/任务服务一个时间片，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。
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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，有它们并行、协同完成这个任务。
个人计算机操作系统：如 Windows XP、Mac OS，方便个人使用。
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操作系统的运行机制与体系结构
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预备知识：什么是指令
问题：“指令” 和我们平时所说的 “代码” 有什么区别？
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一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令。
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简单来说，“指令” 就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。
比如：加法指令就是让 CPU 进行加法运算。
两种指令
新的问题：
有的指令 “人畜无害”。比如：加、减、乘、除 这些普通的运算指令。
有些指令有很高的权限。比如：内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。
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两种处理器状态
问题：CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令？
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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。
两种程序
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运行机制
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问题：操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？
操作系统的内核
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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。
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操作系统的体系结构
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类比：
操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。
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。
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。
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。
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最常考知识点：
- 特权指令只能在核心态下执行。
- 内核程序只能在核心态下执行。
- 核心态、用户态之间的转换 ☞中断的概念和作用.
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中断和异常
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中断机制的诞生
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为了解决上述问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序并发执行。
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
案例：
- CPU 收到计时部件发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。
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- 操作系统内核负责对中断信号进行处理。
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- 进程 1 的时间片已用完，换进程 2 运行。
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- 进程 2 发出系统调用（内中断信号），请求输出。CPU 切换为核心态，对中断进行处理。
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- 操作系统内核负责对中断信号进行处理。
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- 喂~打印机开始工作吧，进程 2 暂停运行等待 I/O 完成，换进程 3 运行。
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- CPU 收到 I/O 设备发来的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。
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- 操作系统内核负责对中断信号进行处理。
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- 进程 2 的 I/O 操作完成，让进程 2 恢复运行，以完成后续工作。
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- 最后切换为用户态。
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中断的概念和作用
- 当中断发生时，CPU 立即进入核心态。
- 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。
- 对于不同的中断信号，会进行不同的处理。
发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配 I/O 设备等）需要使用特权指令，因此 CPU 要从用户态转为核心态。中断可以使 CPU 从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。
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遗留问题：用户态、核心态之间的切换是怎么实现的？
答：“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”。
中断的分类 1
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中断的分类 2
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外中断的处理过程
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Step 1：执行完每个指令之后，CPU 都要检查当前是否有外部中断信号。
Step 2：如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的 CPU 环境（如程序状态字 PSW、程序计数器 PC、各种通用寄存器）。
Step 3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序。
Step 4：恢复原进程的 CPU 环境并退出中断，返回原进程继续向下执行。
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系统调用
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什么是系统调用，有何作用？
知识点回顾：
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。
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“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。
问题：操作系统为什么要提供 “系统调用” 功能？
生活场景：你去学校打印店打印论文，当你按下 “打印” 之后，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 “打印” 按钮开始打印他自己的论文。最终，你的论文和该同学的论文页面并没有混杂在一起，都是按顺序依次打印的。
思考：如果各个进程可以随意地使用打印机，会发生什么情况？
你的论文打印到一半时，另一位同学按下了 “打印” 按钮开始打印他自己的论文。结果，你的后半部分论文与该同学的页面混杂在一起了。。。
解决方法：
操作系统提供 “系统调用” 功能，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发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。
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。
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系统调用与库函数的区别
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不涉及系统调用的库函数：如 “取绝对值” 的函数。
涉及系统调用的库函数：如 “创建一个新文件” 的函数。
系统调用背后的过程
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传递系统调用参数 --> 执行陷入指令（用户态）--> 执行系统调用相应服务程序（核心态）--> 返回用户程序
注意：
- 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，从而 CPU 进入核心态。
- 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。
- 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令。
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