1.1.1操作系统的概念功能

1.大家熟悉的操作系统

• Mac OS ios windows 安卓 Linux

2. 操作系统的概念

• 操作系统（Operating Syetem， OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的组织调度计算机的工作的资源的额分配；以提供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

• 封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装简单易用的服务，使用户能更方便的使用计算机，用户无需关心底层硬件的原来，只需要对操作系用发出命令即可
• GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）
  用户可以使用形象的图形界面操作，而不需要记忆复杂的命令、参数。
  例子：在Windows操作系统中，删除一个文件只需要把文件拖拽到回收站即可。
  

3.是最接近硬件的一层软件

1.1.2.操作系统的四个特征

1.并发：

• 指两个或者多个事件在同一时间或者间隔发生，这件事件在宏观上同时发生的，但微观上是交替发生的
  常考的易混淆的概念–并行：指两个事件或者多个时间同时发生 。
  • 操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序是同时运行的，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，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，各个程序只能并行地执行
  • 多核CPU同一时刻可以执行多个程序**，多个 程序可以并行执行

比如intel的第八代i3处理器就是四核CPU。意味着可以并行地执行4个程序

2.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。

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，但是一个时间段只允许一个进程访问该资源

2.同时共享方式

• 资源中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程”同时“对他们进行访问
  所谓的同时往往是宏观的，而在微观上，这些进程可能的hi交替的对该资源进行访问（分时共享）

3.并发和共享的关系

并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行的程序
共享性是指计算机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，就无法并发

4.操作系统的特征–虚拟

• 虚拟是指把一个物理上的实物变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物 是用户感受到的。（一个程序需要放入内存分配CPU才能执行）
  虚拟技术中时分复用技术。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。

5.虚拟技术

空分复用技术（如虚拟机存储技术）
时分复用技术（如虚拟处理器）
显然如果失去了并发性，则一段时间内 系统中只需运行一道程序，那么就失去了虚拟性的意义，因此，没有并发性，就谈不上虚拟性
异步是指，在多道程序的环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，程序的执行并不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推荐，这就是进程的异步性

1.1.3 OS的发展与分类

1.手工操作阶段

人工用纸带机，输入输出的速度慢，而计算机的处理速度很快

2.批处理阶段–单道批处理

引入脱机输入输出技术（用外围机+磁带完成）并由监督程序负责作业的输入输出。

3.多道批处理阶段

每次往内存中读入多道程序，操作系统交互式诞生，用于支持多道程序并发运行。
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）

4.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/单位服务，各个用户可通过终端与计算机交互。
主要优点：用户请求可以及时响应，解决人机交互问题，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。

5.实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些任务不需要时间片排队
在实时操作系统的控制下，计算机系统接受到外部信号后及时排队进行处理并且在严格的时限内处理完事件
实时操作系统的主要特征是及时性何可靠性

硬实时系统

必须在绝对严格的规定事件内完成（如自动驾驶）

软实时系统

能接受偶尔违法时间规定（如12306）

6.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的结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中的资源共享（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，网站服务器可以使用）

1.1.4 操作系统的运行机制

指令就是处理器能识别、执行的最基本命令
程序运行的过程其实就是CPU执行的一条机器指令的过程

本节的指令指的是二进制机器指令

1.内核程序和应用程序

• 我们普通程序员写的程序就是应用程序

• 微软，苹果负责写操作系统，他们写的是内核系统有很多内核程序组成了操作系统内核，简称内核

• 内核是操作系统最重要的核心的部分，也是最接近硬件的部分
  操作系统的功能未必都在内核中，如图形用户界面GUI

• 操作系统的内核作为管理者，有时会让CPU执行一些特权指令。如：内存清零指令。这些指令影响巨大，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
  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执行一条指令就能判断其类型。

2.内核态和用户态

CPU有两种状态，内核态和用户态

• 处于内核态时，说明此时运行的是内核程序，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
  扩展 CPU有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW）,其中有个二进制位，1表示内核态，0表示用户态
• 用户态又叫管态，用户态又叫目态

3.内核态、用户态的切换

• 刚开机的时候，CPU为内核态，操作系统内核程序先上CPU上运行
• 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
• 操作系统的内核程序会主动让出CPU，让应用程序上CPU上运行
• 应用程序运行在用户态
• CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但自己又处于用户态
• 这个非法事件会引发一个中断信号（CPU检测到中断信号后，会立即变成核心态，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）
• 中断使操作系统再次夺回CPU的控制权
• 操作系统会对引发中断事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给应用程序
  *

1.1.5中断与异常

1.中断的作用

• CPU上会有两种程序，一种是操作系统程序，一种是应用程序
  在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动交给应用程序
  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由用户态变成内核态，是操作系统重新夺回对CPU的控制权
• 如果没有中断机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个程序

2.中断的类型

• 内中断
  与当前执行的指令有关，中断信号来源与CPU内部

例如：试图在用户态下执行特权指令，执行除法是发现除数为0；
例如：有时候应用程序想要请求操作系统内核服务，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

• 外中断
  与当前执行的指令无关，中断信号来源与CPU 外部
  例子1：时钟中断–由时钟部件发来的中断信号
  始终部件会每隔一个时间片（如50ms）会给CPU发送一个时钟中断信号
  例子2：I/O中断–由输入/输出设备发来的 中断信号
  
  比如说某个应用程序会请求打印机的打印服务，打印机会在打印输出完成之后向CPU的发送中断信号。用来通知CPU
  
  

3.中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要不同的中断处理程序来来处理。当cpu检测到中断信号的时候，会根据中断信号的类型去查询中断向量表，以此来找到对应的中断处理程序在内存的存放位置。

1.1.6 系统的调用

1.知识总览

• 什么是系统调用，有什么作用？

知识点回顾

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。

系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，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

2.系统调用与库函数的区别

• 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”

3.怎么实现系统调用的互斥访问（系统调用是必须的）

• 解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理并向上提供系统调用，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

• 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（如储存分配、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供服务请求，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。

4.系统调用过程

• 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：1. 陷入指令是用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使cpu进入核心态

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。

1.1.7操作系统的体系结构

1.操作系统的内核

• 时钟管理：利用时钟中断实现计时功能

• 原语：原语是一种特殊的程序，具有原子性，也就是说这段程序的运行必须是一气呵成的，不可以被中断

• Ubuntu centOs的开发团队，其主要工作是实现非内核功能，而内核都是使用了Linux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 **

注意

操作系统内核需要运行在内核态 ** 操作系统非内核功能运行在用户态**

–完结