一、绪论

操作系统的概念

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，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。

操作系统的功能与目标

资源的管理者
文件管理
存储器管理	执行一个程序前需要将该程序的相关数据放到内存中，才能被CPU处理。
处理机管理	对应的进程被处理机 (CPU) 处理。
设备管理

向上层提供方便易用的服务
图形化用户接口(Graphical UserInterface，GUl)
联机命令接口（交互式命令接口）
脱机命令接口（批处理命令接口）：*.bat
程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。系统调用 = 广义指令。
命令接口和程序接口统称为用户接口。

对硬件机器的扩展
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成为扩充机器，又称之为虚拟机。
操作系统对硬件机器的拓展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

操作系统的特征

1.并发

并发与并行的区别
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。

并发
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。
比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU，意味着可以并行地执行4个程序。

2.共享

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。
两种资源共享方式：1.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。2.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)。

并发和共享的关系
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。
并发性和共享性互为存在条件。
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。

3.虚拟

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。
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，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。

虚拟技术
空分复用技术	虚拟存储器技术
时分复用技术	虚拟处理器技术，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。

4.异步

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。

操作系统的发展与分类

1.手工操作阶段

手工操作阶段
主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导败资源利用率极低。

2.批处理阶段

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（操作系统的雏形）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/0完成。资源利用率依然很低。

批处理阶段——多道批处理系统
每次往内存中读入多道程序。
操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。
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。无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)。

3.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，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。

4.实时操作系统

实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）
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。
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。
1.硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理。如：导弹控制系统、自动驾驶系统。 2.软实时系统：能接受偶尔违反时间规定。如: 12306火车订票系统。

5.网络操作系统

网络操作系统
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。

6.分布式操作系统

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。
分布式操作系统的主要特点包括：1.节点独立性。2.透明性。3.资源共享。4.并行处理。5.容错性。

7.个人计算机操作系统

个人计算机操作系统（Personal Computer Operating System）
如Windows XP、Macos（仅限苹果电脑），方便个人使用。

操作系统的运行机制

程序是如何运行的?
一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令。
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。
“指令” 就是处理器 (CPU) 能识别、执行的最基本命令。
注：很多人习惯把 Linux、Windows、Macos 的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。本节中的“指令”指二进制机器指令。

1.内核程序

应用程序与内核程序
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 (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。
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。应用程序只能使用“非特权指令”。如：加法指令、减法指令等。在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

2.CPU状态转换

CPU 能判断出指令类型，但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序 or 应用程序?
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。
拓展：CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（Program Status Word，PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。
别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态。

内核态、用户态的切换
1.刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行。 2开机完成后，用户可以启动某个应用程序。 3操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上CPU运行。操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为“用户态”。 4.应用程序运行在用户态。 5.此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统。 6.CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态。 7.这个非法事件会引发一个中断信号。CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序。 8.“中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权。 9.操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序。
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。除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。

中断和异常

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。
如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。

中断的类型
1.内中断（异常）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。异常指当前运行指令引起的中断事件。	例子1：试图在用户态下执行特权指令。 例子2：执行除法指令时发现除数为0，若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。 例子3：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。
2.外中断（狭义的中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。	每一条指令执行完毕，CPU都会例行检查是否有外中断信号。 例子1：时钟中断，由时钟部件发来的中断信号。 例子2：I/O中断，由输入/输出设备发来的中断信号。

异常（内中断）
1.陷阱、陷入 (trap)：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的。
2.故障 (fault)：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。
3.终止(abort)：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序,而是直接终止该应用程序。如，整数除0、非法使用特权指令。

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”。
硬件怎么实现中断机制是计算机组成原理解决的。

系统调用

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。
“系统调用”是操作紧统提供给应用程序(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。

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。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。
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

系统调用 (按功能分类)
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。

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
1.传递系统调用参数。2.执行陷入指令(用户态)。3.执行相应的内请求核程序处理系统调用(核心态)。4.返回应用程序。
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，使CPU进入核心态。注意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。
注意别名：陷入指令 = trap 指令 = 访管指令。

操作系统的体系结构

操作系统的内核
内核是操作系统最基本、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。

1.大内核与微内核

大内核与微内核
注意：变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能。

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。
典型的大内核/宏内核/单内核操作系统：Linux、UNIX。

微内核
只把最基本的功能保留在内核。
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。
典型的微内核操作系统， Windows NT。

2.分层结构

3.模块化

4.外核

外核（Exokernel）
外核是一种特殊的操作系统内核架构，也被称为外核心、外核或极限核心。它是一种极简化的核心，旨在实现最小化的内核功能，以提供更高的安全性和灵活性。
外核设计仍然停留在研究阶段，没有实际的操作系统采用这种设计。

操作系统引导

操作系统引导(开机过程)BOOT
1.CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序(先进行硬件自检，再开机)。
2.将磁盘的第一块一一主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表。
3.从活动分区 (又称主分区，即安装了操作系统的分区) 读入分区引导记录，执行其中的程序。
4.从根目录下找到完整的操作系统初始化程序(即启动管理器)并执行，完成“开机”的一系列动作。

虚拟机

虚拟机
使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器 (Virtual Machine,VM)，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。
同义术语：虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/Virtual Machine Monitor/Hypervisor。
Guest OS（Guest Operating System）指的是在虚拟机（Virtual Machine，VM）上运行的操作系统。在虚拟化技术中，Guest OS是被安装在虚拟机之上的软件系统，作为虚拟机服务的重要组成部分。Guest OS与Host OS（Host Operating System，即主操作系统或宿主操作系统）相对，Host OS是安装在物理硬件上的系统，而Guest OS则是在这个Host OS之上运行的虚拟环境中的操作系统。