【王道笔记】操作系统概述(一)

林风的编程日记
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操作系统层次结构

概念

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

①操作系统是系 统资源的管理者

②向上层提供方便易用的服务

③是最接近硬件的一层软件

操作系统功能和目标

系统资源的管理者

  • 文件管理
  • 内存管理
  • CPU管理
  • I/O设备管理

Step 1：在各个文件夹中找到 QQ 安装的位置（如 D:/Tencent/QQ/Bin）

  • 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

Step 2：双击打开 QQ.exe

  • 需要把该程序相关数据放入内存

Step 3：QQ 程序正常运行

  • 对应的进程被处理机（CPU）处理

Step 4：开始和朋友视频聊天

  • 需要将摄像头设备分配给进程

向上层提供方便易用的服务

作为操作系统硬件之间的接口

通过输入命令控制硬件

提供的功能

  • 命令接口（用户直接使用）

    • 联机命令接口：用户说一句，系统做一句---控制命令窗口
    • 脱机命令接口（批处理命令接口）：用户说一堆，系统做一堆---bat脚本

  • 程序接口（用户通过程序调用间接使用）

    • 由一组系统调用组成（程序接口=系统调用=广义指令）--- .dll文件
  • GUI（图形界面）

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称为扩充机器，又称之为虚拟机

操作系统特征

并发、共享（两个最基本特征，二者互为存在条件）

虚拟、异步

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。

并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

注意：

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

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

  • 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

  • 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）

并发与共享

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下意义

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**“空分复用技术”** ：实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB---虚拟存储器

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---虚拟处理器

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。

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。

操作系统发展与分类

下一代操作系统出现解决上一代的问题

  1. 手工操作阶段

    1. 优点：
    2. 缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

  1. 批处理阶段：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

    1. 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。
    2. 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。

  1. 多道批处理系统：每次输入多道程序

    1. 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。
    2. 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。

  1. 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。

    1. 优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。
    2. 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。

  1. 实时操作系统

    1. 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。及时性和可靠性

    2. 分类

      1. 硬实时系统：绝对严格时间内完成。导弹控制系统、自动驾驶系统
      2. 软实时系统：能接受偶尔延时。12306火车订票系统

  1. 网络操作系统

    1. 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）

  1. 分布式操作系统

    1. 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

  1. 个人计算机操作系统

    1. 如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。

操作系统运行机制和体系结构

运行机制

指令： 处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令

一条高级语言代码可能对应多条指令

  • 特权指令：不允许用户使用。内存清零指令
  • 非特权指令：普通的运算指令

CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

处理器状态：

  • 用户态（目态）：非特权指令
  • 核心态（管态）：都可执行

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：

  • 内核程序
  • 应用程序

💎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。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

操作系统内核

  1. 时钟管理：实现计时功能
  1. 中断处理：负责实现中断机制

  1. 原语：

    1. 是一种特殊程序
    2. 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
    3. 原子性-运行一气呵成，不可中断
    4. 运行时间较短、调用频繁

  1. 对系统资源进行管理的功能

    1. 进程管理
    2. 存储器管理
    3. 设备管理

操作系统体系结构

大内核和微内核

大内核：

  • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
  • 优点：高性能
  • 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核：

  • 只把最基本的功能保留在内核（时钟管理、中断管理）
  • 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
  • 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

中断和异常

引入中断机制，实现了多道程序并发执行

中断的作用：“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

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

中断的分类：

  • 内中断：（异常、例外、陷入）

    • 与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

    • 自愿中断--指令中断

    • 强迫中断

      • 硬件故障：缺页
      • 软件中断：整除0

  • 外中断（中断）

    • 与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
    • 外设请求：I/O
    • 人工干预：用户强行终止

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。.

定义：

“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。

会从用户态切换到核心态

为什么要提供系统调用的功能？

操作系统使用共享资源，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。不然会出现混乱

作用

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。

系统调用分类

  • 设备管理

    • 完成设备的请求/释放/启动等功能

  • 文件管理

    • 完成文件的读/写/创建/删除等功能.

  • 进程控制

    • 完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能

  • 进程通信

    • 完成进程之间的消息传递/信号传递等功能

  • 内存管理

    • 完成内存的分配/回收等功能

系统调用与库函数的区别

  • 操作系统

    • 向上提供系统调用

  • 编程语言

    • 向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使上层进行系统调用更加方便。

  • 普通应用程序

    • 可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及

不涉及系统调用的库函数:如的“取绝对值”的函数

涉及系统调用的库函数:如“创建一一个新文件”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

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