操作系统概念
概念和定义
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。
直观的例子：打开 Windows 操作系统的“任务管理器” （快捷键： Ctrl+Alt+Del）
功能和目标：
系统资源的管理者
四个功能
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
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GUI:图形化用户接口(Graphical User Interface)
用户可以使用形象的图形界面进行操作,而不再需要记忆复杂的命令、参数。例子:在Windows操作系统中,删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。
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联机命令接口实例（Windows系统） 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
- 脱机命令接口实例(Windows系统) 脱机命令接口=批处理命令接口
一次性处理一堆
- 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。
作为最接近硬件的层次：
需要实现对硬件机器的拓展没有任何软件支持的计算机成为裸机。
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成为扩充机器，又称之为虚拟机
操作系统的特征
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
共享
互斥共享
系统中的某些资源,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
例如，qq和微信视频，摄像头只能给一个
同时共享
系统中的某些资源，允许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的(即分时共享)
例如，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。
但是例如，同时播放两个音乐，那他在微观上也是同时进行的
并发性和共享性之间的关系（互为存在条件）
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。
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
通过刚才的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。
1,两个进程正在并发执行(并发性)
2.需要共享地访问硬盘资源(共享性)
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。
GTAS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
- 问题: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: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
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序,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
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。
操作系统的发展和分类
学习提示：要重点关注和理解各类操作系统主要想解决的是什么问题，各自的优缺点。
手工操作阶段
问题：人慢，机器快！
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——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
磁带的读/写速度比纸带机快很多
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1/0完成。资源利用率依然很低。
批处理阶段——多道批处理系统
操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行！！！！！！
每次往内存中读入多道程序
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
其他操作系统？
- 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。
操作系统运行机制
应用程序
我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等
内核程序
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
甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了（eg： Docker->仅需Linux内核)
操作系统的功能未必都在内核中,如图形化用户界面 GUI
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
程序运行的过程实际上就是CPU一条一条处理机器指令的过程
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
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
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”
别名:内核态=核心态=管态;用户态=目态
内核态 用户态的切换
一个故事：
①刚开机时, CPU为“内核态” ,操作系统内核程序先上CPU运行
②开机完成后，用户可以启动某个应用程序
操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”
③操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行
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
标签：操作系统,并发,程序,基础,用户,概念,内核,CPU From： https://www.cnblogs.com/nekodream/p/18107013