操作系统的基本概念

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。
操作系统是计算机系统中最基本的软件系统

操作系统的特征

并发

指两个或多个事件再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

易混淆概念

并行指两个或多个事件再同一时刻同时发生

操作系统的并发性

计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上是同时运行着的，而微观上看是交替运行的

注意事项

单核cpu同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行
多核cpu可以同时执行多个程序多个程序可以并行执行

如 intel 第八代 i3 为四核cpu，意味着可以并行执行四个程序，如果有四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

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

互斥共享

一个时间段内只允许一个进程访问该资源

同时共享

允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

所谓“同时”往往是宏观上的，而在微观上这些进程可能是交替对该资源进行访问，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运行，共享性失去存在意义
如果失去共享性，则两个进程无法同时访问同一资源（如无法同时访问硬盘资源无法实现同时发送完文件）也就无法并发
并发性和共享性互为存在条件

虚拟

指把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的

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为各个进程服务

如果失去了并发性，则一个时间段内只需运行一道程序，那么就失去了虚拟性的意义。
没有并发性就谈不上虚拟性

异步

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

如果失去了并发性，即系统只能串行运行各个程序，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

操作系统的运行机制

预备知识

cpu的两种状态

cpu上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

cpu中有一个寄存器名为程序状态字寄存器(PSW) 其中有一个二进制位 1 为内核态 0 为用户态

内核态

处于内核态时，说明正在运行内核程序，可以执行特权指令

用户态

处于用户态时，说明正在运行应用程序，只能执行非特权指令

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

一个例子

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（用一条特殊指令把PSW的标志位设置为用户态），让该应用程序在cpu上运行
4、应用程序在用户态运行
5、此时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发现接下去的指令为特权指令但此时处于用户态
7、非法事件引发中断信号，立即变为核心态并停止运行当前应用程序，转而处理中断信号的内核程序
8、中断使擦欧总系统再次夺回cpu控制权
9、操作系统对引发中断的事件进行处理，处理后再把cpu使用权交给其他应用程序

变态

内核态->用户态

一条PSW特权指令修改寄存器标志位

用户态->内核态

由中断引起，硬件自动完成

中断和异常

中断的作用

中断是让操作系统内核夺回cpu使用权的唯一途径

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，也称异常、例外

1、陷阱、陷入（由陷入指令引发，应用程序故意引发）
2、故障（由错误条件引起，可能被内核程序修复，内核程序修复后会将cpu使用权交还给应用程序，使其继续执行）
3、终止（由致命错误引起，内核程序一般无法修复，一般直接终止该应用程序）

eg1.例如试图在用户态下执行特权指令
eg2.执行除法时发现除数为0(指令非法)
eg3.应用程序想请求操作系统内核的服务，执行的陷入指令

陷入指令一位置应用程序主动把cpu控制权还给操作系统内核并非特殊指令
系统调用就是通过陷入指令完成的

外中断

在每个指令周期末尾，cpu都会检查是否有外中断信号需要处理

与当前执行的指令无关,中断信号来源于cpu外部，也称“中断”

1、时钟中断
2、io中断由输入/输出设备发来的中断信号

中断机制基本原理

不同的中断信号需要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来查询“中断向量表”，依次来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置

系统调用

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

什么功能需要用到系统调用

凡是与共享资源有关的操作，如储存分配、io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和安全性，防止用户非法操作

系统调用按功能进行分类

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

系统调用的过程

1、在用户态下，程序输入传参指令，向寄存器中传入必要寄存器参数
2、传入陷入指令，引发内中断，转入响应中断的处理程序（即系统调用的入口程序）
3、在内核态下处理系统调用入口程序，根据寄存器中的参数判断用户需要的系统调用服务
4、执行完系统调用服务后，cpu转回用户态继续执行剩下的程序

注意：
1、陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，使cpu进入核心态
2、发出系统调用请求实在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

操作系统的体系结构

操作系统内核

内核时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

操作系统内核需要运行在内核态
操作系统的非内核功能运行在用户态

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

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

典型大内核操作系统：Linux、UNIX
典型微内核操作系统：Windows NT

操作系统结构

分层结构

最底层是硬件，最高层是用户接口，每一层可且只可调用更低一层的接口

模块化

将内核划分为多个模块，各模块之间相互写作

宏内核（大内核）

所有系统功能均放在内核中

微内核

只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核

外核

外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源且保证其使用安全

操作系统的引导

操作系统引导（开机过程）

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，每个虚拟机器可以独立运行一个操作系统

操作系统——操作系统概述