第一章 操作系统概述

1. 什么是操作系统？

用户想让软件运行在计算机硬件上，必须要借助操作系统。

1. 一种最接近硬件的一层软件，最底层的软件。
2. 是系统资源的管理者，负责管理协调硬件，软件等资源的工作
3. 为上层用户或者应用程序提供简单易用的服务
4. 为其他软件提供服务，操作系统与软件进行交互，以便为其分配运行所需的任何必要资源。

2. 操作系统的主要功能

1. 进程管理：进程同步、进程通信、进程死锁等等。
2. 内存管理：内存分配、虚拟内存、地址映射等等。
3. 文件管理：存储空间管理，文件读写管理和保护等等。
4. 设备管理：设备分配、虚拟设备等等。

操作系统将计算机分为了两种状态：用户态和内核态。

内核态封装了一些底层的代码，避免了一些软件会恶意的损害操作系统，如果进程在用户态运行的时候需要使用内核态的功能，就需要进行系统调用陷入内核状态，由操作系统代为完成。

3. 为什么要区分用户态和内核态？

1. 安全性：防止用户程序恶意或者不小心破坏系统/内存/硬件资源；
2. 封装性：用户程序不需要实现更加底层的代码；
3. 利于调度：如果多个用户程序都在等待键盘输入，这时就需要进行调度；统一交给操作系统调度更加方便。

用户态运行的进程或可以直接读取用户程序的数据

内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源

4. 什么是系统调用？和库函数的区别是啥

1. 平常使用的软件都是运行在用户态，如果这些软件需要执行操作系统提供的内核态的功能（比如说文件、进程、内存管理等等）都必须通过系统调用方式向操作系统代为完成。这个过程涉及到用户态和内核态的切换，开销比较大。

2. 库函数：是将一些常用的函数编写完放到一个文件里，这样用户编写应用程序时调用，一般由第三方提供，发生在用户地址空间。比如说Java中的类库。

常见的系统调用：

• 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。

Linux 的系统调用主要有以下这些：

Task	Commands
进程控制	fork(); exit(); wait();
进程通信	pipe(); shmget(); mmap();
文件操作	open(); read(); write();
设备操作	ioctl(); read(); write();
信息维护	getpid(); alarm(); sleep();
安全	chmod(); umask(); chown();

5. 计算机是如何完成用户态和内核态的切换？

中断是CPU从用户态切换到内核态的唯一途径，发生中断的本质就是需要操作系统介入进行管理工作，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。

当中断发生时：

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进行，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。

中断也分为不同的种类：

1. 外中断：
2. 内中断：信号的来源是CPU内部

6. 并发和并行的区别？

并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，而并行则指同一时刻能运行多个指令。

并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。

操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。

7. 异步和同步的区别？

同步，是所有的操作都做完，才返回给用户结果。

异步，不用等所有操作都做完，就相应用户请求。

8. 什么是虚拟技术？

虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。

主要有两种虚拟技术：时（时间）分复用技术和空（空间）分复用技术。

多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占用处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。

虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。

虚拟内存技术本质上就是内存分时复用，可以使程序在远小于它的内存空间运行。