1. OS概述
1.1 操作系统的基本概念
1.1.1 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。
这里需要注意三点
- 操作系统是系统资源的管理者
- 向上层提供方便易用的服务
- 是最接近硬件的一层软件
直观的例子：打开 Windows 操作系统的“任务管理器”
1.1.2 操作系统的功能
操作系统的功能和目标 —— 作为系统资源的管理者
操作系统的功能和目标 —— 向上层提供方便易用的服务
这其实类似于java中的封装，操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需
关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。
很精髓的一张图。??
类似的提供的功能还有
GUI
交互式命令接口(类似Windows中的cmd)—又称联机命令接口。特点：用户说一句，系统跟着做一句
批处理命令接口(使用windows系统的搜索功能，搜索C盘中的 *.bat文件，用记事本任意打开一个)—又称脱机命令接口。特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
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。
操作系统的功能和目标 —— 作为最接近硬件的层次
1.1.3 操作系统的特征
操作系统共有四个特征：并发、共享、虚拟、异步。其中并发与共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。
1.1.3.1 并发
定义：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。
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。
?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。
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。
即使是对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要“同时”运行，那么并发性依然是必不可少的，因此并发性是操作系统一个最基本的特性。
1.1.3.2 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。
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。
1.1.3.3 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。
虚拟技术分为空分复用技术(虚拟存储器)和时分复用技术(虚拟处理器)。
用例子解释
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。
1.1.3.4 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。
用个例子解释
比如你要做一道菜，你可以先切菜再烧水等等一系列操作，也可以先烧水再切菜等等一系列操作，当然也可以先做其他事再切菜烧水，这就类似与操作系统的异步。
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。
1.2 操作系统的分类和发展
1.2.1 手工操作阶段
1.2.2 批处理阶段
1.2.2.1 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。（操作系统的雏形）
**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。
**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。
1.2.2.2 多道批处理系统
1.2.3 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。
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。
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。
1.2.4 实时操作系统
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。
**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。
1.3 操作系统的运行环境
1.3.1 程序运行原理
首先程序员编写的高级语言代码---->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。— 二进制机器指令
1.3.2? 操作系统运行机制
1.3.2.1 内核程序与应用程序
我们普通程序员写的程序就是**“应用程序”。为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令**，运行在用户态。
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）”。
操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在内核态。
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。
1.3.2.2 特权指令与非特权指令
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执行一条指令前就能判断出其类型。
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。
1.3.2.3 内核态与用户态
那个就有个问题：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？
那么我们就要说下CPU的两种状态。
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，也可以执行非特权指令。
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（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
内核态和用户态的切换
执行特权指令前：
检测到特权指令，拒绝执行，转为内核态。
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。
1.3.3 中断与异常
1.3.3.1 ?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
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
没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发
1.3.3.2 中断的类型
中断分为内中断和外中断
内中断(异常)：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生
与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
内中断例子
- 试图在用户态下执行特权指令
- 执行除法指令时发现除数为 0
- 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。
外中断(中断)： 每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号
与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
外中断例子
- 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号
时钟部件每隔一个时间片（如 50ms）会给CPU发送一个时钟中断信号
- I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号
当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号
总结
1.3.3.3 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。
1.3.4 ?系统调用
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（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
系统调用提供的服务
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
1.4 操作系统的内核
1.4.1 概述
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。
1.4.2 大内核与微内核
