操作系统的概念（定义)功能和目标
操作系统的概念（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
作为系统资源的管理者
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。
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
命令接口：允许用户直接使用，包括联机命令接口与脱机命令接口
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
联机命令接口=交互式命令接口，用户说一个，系统做一个
脱机命令接口=批处理命令接口，用户说一堆，系统做一堆
易懵概念:系统调用=系统调用命令=广义指令
GUI:图形用户界面（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。
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称为扩充机器，又称之为虚拟机。
操作系统的特征
操作系统的特征包括并发、共享、虚拟、异步，并发与共享是最基本特征，互为存在条件。
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执行)。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。
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。
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。
并发与共享的关系
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。
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。
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。
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。
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。
重要考点:
理解并发和并行的区别并发和共享互为存在条件
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
操作系统的发展和分类
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――单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术（用磁带完成)，并监督程序负责控制作业的输入、输出，是操作系统的雏形
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。
批处理阶段――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)
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。
操作系统的运行机制和体系结构
“指令”就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令
两种指令、两种处理器状态、两种程序
操作系统内核
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。
操作系统的体系结构:大内核和微内核
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。
中断和异常
中断机制的诞生
早期的计算机各程序只能串行执行，系统资源利用率低。为了解决这个问题，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。
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。操作系统内核负责对中断信号进 行处理。进程1的时间片己用完，换进程2运行。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。I/O完成，设备向CPU发出中断信号。
中断的概念和作用
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（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。
“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
另一种分类方式：
外中断的处理过程
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，返回原进程继续往下执行
系统调用
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、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。
系统调用的分类
系统调用与库函数
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
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
