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操作系统 的概念、功能和目标

一、操作系统 的概念

操作系统 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。

二、操作系统的功能和目标

1.操作系统作为系统资源的管理者

补充：进程是一个程序的执行过程，执行前 需要将程序放到内存中，才能被 CPU 处理。

2.操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口

• 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

用户接口

命令接口（允许用户直接使用）

• 联机命令接口：用户说一句，系统做一句 （联机命令接口 = 交互式命令接口）
• 脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆 （脱机命令接口 = 批处理命令接口）

程序接口（允许用户通过程序间接使用）

由一组 系统调用 组成 （程序接口 = 系统调用）

GUI 图形用户界面

用户可以使用形象的图形界面进行操作，不需要记忆复杂的命令、参数。

3.操作系统作为最接近硬件的层次

需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展。

没有任何软件支持的计算机称为 裸机，而把覆盖了软件的机器称为 扩充机器，又称为 虚拟机。

总结

操作系统的特征

一、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，但在 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。

易混概念 — 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

二、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。

三、并发和共享的关系

并发性 是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。

并发与共享互为存在条件

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。

四、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。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。

例：一个程序 需要放入内存 并给他 分配CPU 才能执行

GTA5 需要4GB运行内存，QQ 需要 256MB 的内存，网易云音乐需要 256MB 内存…….

这是虚拟存储器技术中的 空分复用技术与时分复用技术，实际只有 4GB 内存，在用户看来远大于 4GB。

时分复用技术：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。

若失去了并发性，则一个时间段内系统只需运行一道程序，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。

五、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。

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

总结

操作系统的发展与分类

一、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。

二、批处理阶段

1.单道批处理系统

引入 脱机输入 / 输出技术，并 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。

2.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。

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只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）

三、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。

主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。

四、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时间。实时操作系统的主要特点是 及时性和可靠性。

五、其他操作系统

1.网络操作系统

网络操作系统能把网络中各个计算机有机的结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享和各台计算机之间的通信。

2.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，由他们并行、协同完成这个任务。

操作系统的运行机制和体系结构

一、运行机制

1.两种指令

问题：CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令？

2.两种处理器状态

若 CPU 处于用户态，则只能执行非特权指令，若处于核心态，则特权指令，非特权指令都能执行。

3.两种程序

操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

二、操作系统的内核

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。

注意：不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。

三、操作系统的体系结构

总结

中断和异常

一、中断

本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

1. 当中断发生时，CPU 立即进入 核心态
2. 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
3. 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。

另一种分类方式：

1.外中断的处理过程

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
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）
3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
4. 恢复原进程的 CPU 环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

总结

系统调用

一、什么是系统调用，有何作用

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。

应用程序通过 系统调用 请求操作系统的服务。系统中各种共享资源都由操作系统同一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，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。

系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制，这些功能需要执行一些 特权指令 才能完成，因此 系统调用的相关处理 需要在 核心态 下进行。

二、系统调用与库函数的区别

三、系统调用背后的过程

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：

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，从而 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
3. 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

总结