@TOC
操作系统简介
什么是操作系统？ 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（操作系统是系 统资源的管理者）。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（向上层提供方便易用的服务）。它是计算机系统中最基本的系统软件。（是最接近硬件的一层软件）
操作系统要做些什么？
-
作为系统资源的管理者
-
向上层提供方便易用的服务
-
作为最接近硬件的层次
操作系统的特征： 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。
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。
两种共享资源方式：互斥共享方式：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和同时共享方式：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））
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。
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。
操作系统的发展与分类
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: 是把多个任务积攒到一定数量再一次提交。
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。虽然系统对作业的处理是成批进行的，但在内存中始终只保持一道作业，故称为单道批处理系统 。 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）系统对作业的处理是成批进行的，在内存中始终保持多道作业，故称为多道批处理系统 。
批处理和交互式处理的区别：主要区别在作业执行过程中，由用户使用操作系统提供操作控制命令。就是给一个命令就执行一个，而批处理就要预编。
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: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
其他几种操作系统: 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
运行机制
“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令，程序运行的过程其实就 是CPU执行一条一条的 机器指令的过程
我们普通程序员写的程序就是“应用程序” 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
应用程序只能使用“非特权指令”，如： 加法指令、减法指令等
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
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
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
操作系统的内核
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。
Shell层
定义： Shell是一个特殊的应用程序，俗称命令行，本质上是一个命令解释器，它下通系统调用，上通各种应用，通常充当着一种“胶水”的角色，来连接各个小功能程序，让不同程序能够以一个清晰的接口协同工作，从而增强各个程序的功能。同时，Shell是可编程的，它可以执行符合Shell语法的文本，这样的文本称为Shell脚本，通常短短的几行Shell脚本就可以实现一个非常大的功能，原因就是这些Shell语句通常都对系统调用做了一层封装。为了方便用户和系统交互，一般，一个Shell对应一个终端，终端是一个硬件设备，呈现给用户的是一个图形化窗口。我们可以通过这个窗口输入或者输出文本。这个文本直接传递给shell进行分析解释，然后执行。
用户态的应用程序可以通过三种方式来访问内核态的资源：
-
系统调用
-
库函数
-
Shell脚本（命令行）
中断和异常
中断的作用： CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（是整个系统的管理者），一种是应用程序
在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序 “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径 “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
中断的类型：
内中断：与当前执行的指令有关， 中断信号来源于CPU内部 外中断：与当前执行的指令无关， 中断信号来源于CPU外部
软中断：软中断是执行中断指令产生的，无面外部施加中断请求信号，因此中断的发生不是随机的而是由程序安排好的。 硬中断：硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上（注：硬件驱动通常是内核中的一个子程序，而不是一个独立的进程）。
举例：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指 令会引发一个内部中断信号。 执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。 “系统调用”就是通过陷入指令完成的
中断机制的基本原理: 不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号 的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行 在“内核态”。
系统调用
什么是系统调用，有何作用？ “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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务 库函数（Library function）： 是把函数放到库里，供别人使用的一种方式 系统调用与库函数的区别:
| 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 |
|---|---|
| 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， 使程序员编程更加方便。 |
| 操作系统 | 向上提供系统调用，使得上层程序能请求 内核的服务 |
| 裸机 |
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“创建一个新文件”的函数
什么功能要用到系统调用？
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是 与共享资源有关的操作（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内核提 出服务请求，由操作系统内核代为完成。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。
系统调用的过程:
传递系统调用参数→ 执行陷入指令（用户态） → 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态） → 返回 应用程序
注意：
- 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，使CPU进入核心态
- 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
操作系统体系结构
举例： Ubuntu、CentOS 的开发团 队，其主要工作是实现非内核功能，而内核都是用了 Linux 内核
