【操作系统基础】操作系统核心概述

一、何为操作系统

操作系统(OS，Operating System)是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。它在计算机系统中占据了重要地位，汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件，都依赖于操作系统的支持，需要取得操作系统的服务。

二、操作系统的功能和目标

1. 作为资源的管理者

OS 提供的计算机系统资源管理如下：

处理机管理：用于分配和控制处理器；
存储器管理：负责内存的分配和回收；
文件管理：负责文件的存取、共享和保护；
设备管理：负责 I/O 设备的分配和操纵。

2. 作为用户与计算机硬件之间的接口

用户可以通过如下三种方式使用操作计算机：

命令接口：允许用户直接使用，分为联机命令接口和脱机命令接口，区别在于说一句做一句还是说一堆做一堆；
程序接口：允许用户通过程序间接使用，有一组系统调用组成（程序接口=系统调用）
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

3 实现对计算机资源的抽象

若计算机没有安装任何的软件，那么用户就需要面向硬件接口进行编程，为了方便操作硬件设备，则需要覆盖一层硬件管理软件，提供相应的结构。同理为了方便其他的操作，计算机上也需要有相应的软件，OS 就是这样的软件组成的集合，用户可以直接使用这些软件进行便捷开发，而无需关心这些软件在底层是如何组织起来工作的，这里也体现了封装思想的作用。

三、操作系统的特征

1. 并发

并发是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。需要与并行区分——并行是指两个或者两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发生运行着的，而微观上是交替运行的。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性是一起诞生的。

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。

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。包括两种资源共享方式：

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，但在一个时间段内只允许一个进程访问该资源；
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。

并发和共享之间的关系：

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序；共享性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。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，则不同程序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。

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。虚拟技术可以分为：空分复用技术（如虚拟存储器技术）和时分复用技术（如虚拟处理器）。

举个简单的例子：

背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

GTA5需要4G的运行内存，QQ需要256MB的内存，迅雷需要256MB的内存，而电脑此时只有4GB内存，这些程序同时运行的内存远大于4GB，那么为什么它们还可在电脑上同时运行呢，答案就是虚拟存储技术，实际上只有4GB内存，在用户看来却远大于4GB。

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统只需运行一道程序，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。

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。

如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个进程，那么每个进程的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

四、操作系统的发展与分类

五、操作系统的运行机制

首先需要了解程序是如何运行的，按下图所示，我们平时所接触的代码都是属于高级语言，需要编译器编译为汇编语言最终成为计算机能识别的机器指令，再由 CPU 根据指令执行：

“指令”就是处理器（CPU）能识别的、执行的最基本命令；

注意：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“交互式命令接口”，注意与上面提到的“指令”区分。上面的“指令”是指二进制指令。

1. 两种程序——内核程序 v.s. 应用程序

我们普通程序员写的就是“应用程序”

微软、苹果由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。

2. 两种指令——特权指令 v.s. 非特权指令

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。应用程序就只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

注意：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。

3. 两种状态——内核态 v.s. 用户态

问题引入：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

扩展：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

3.1 内核态、用户态的切换

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。

注意：除了非法使用特权指令外，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。

4. 操作系统内核

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。

按照操作系统的体系结构可以将内核分为大内核和微内核。大内核将操作系统的主要功能都作为系统内核，运行在核心态，具有高性能的优点，其缺点是内核代码庞大，结构混乱，难以维护；而微内核只将最基本的功能保留在内核，内核结构少，故而结构清晰，方便维护，缺点是需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

假如现在应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理，如下所示：

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。

六、中断和异常

1. 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，一种是应用程序，在合适情况下，操作系统内核会把 CPU 的使用权主动让给应用程序，“中断”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，那么一旦程序在 CPU 上运行，CPU 就会一直运行这个应用程序。

2. 中断的类型

中断按是否与当前执行的指令相关，可分为内中断和外中断：

内中断与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部，例如：
- 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，若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号
- 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，该指令会发出一个内部中断信号
外中断与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部，例如：
- 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号
- I/O 中断——由输入/输出设备发来的中断信号

注意：每一条指令执行结束后，CPU 都会例行检查是否有外中断信号。

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。

七、系统调用

系统调用（System Call）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。

注意：系统调用与库函数的区别：

1. 什么功能需要到系统调用

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。

2. 系统调用的过程

传入系统调用参数→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