操作系统概述

OS基本概念

对用户和程序猿提供接口

• 命令接口
• 联机命令接口（交互式命令接口） 向计算机输入一条指令，它会先解析命令然后执行这条指令，完成后可在输入下一条指令。这种操作的好处在于人机交互性强。比如：你安排一件事他做一件。
• 脱机命令接口（批处理命令接口）
  向计算机输入多条指令，他会按照某种你给的逻辑顺序执行指令，直到全部指令执行结束。在执行指令的过程中不能干预计算机。比如：你给他一堆事，他做完了找你汇报结果。
• 程序接口

专门为程序员提供的一套接口，由一组系统调用（广义指令）组成，程序员通过程序调用，请求操作系统提供服务。比如：C语言中的打印函数 printf，这个函数在底层实现的时候，就是操作系统通过系统调用支配显示器，把你要打印的输出到显示器上。

对硬件功能扩展

这个就不说了吧，没有操作系统裸机功能特别的底下，所以操作系统是对硬件功能的扩展

对系统资源的管理

操作系统对系统资源的管理主要有以下四个方面，这四个方面也是学习操作系统的主要内容 + 处理机管理 对处理机管理最基本的单位是进程或者线程的管理，这一方面主要在第二章去学习。 + 存储管理 存储管理是为了给多道程序运行提供存储环境，提高内存的利用率。主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享、内存扩充等。这一方面主要在第三章去学习。 + 文件管理 计算机中的信息主要都是以文件的方式存储，对文件的管理主要包括对文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理与保护。这一方便在第四章去学习。 + 设备管理 提高设备利用率，包括缓存管理、设备分配、设备处理、虚拟设备等等，这一方面在第五章去学习。

OS的发展与特征

发展

批处理操作系统

单道批处理

将一组程序一条一条的给处理机，处理机一条一条的执行。具有顺序性、自动性。但是CPU运行的速度非常快，而当一条指令在读取信息与输出信息的情况下，CPU处于空闲状态，这是一种资源浪费。为了解决这一问题，出现了多道批处理系统。

多道批处理

允许多个程序同时进入内存，并且允许他们在CPU上交替执行（宏观上程序是并行的，微观上程序是串行的）。这种方式CPU资源利用率调高了很多，但是用户响应时间长，不支持人机交互。 放图理解

分时操作系统

把CPU的运行时间划分成很小的时间片，按照时间间隔轮流执行各个程序，如果一个时间片的时间到了以后，程序没有执行完成，那么也不执行了。等待下一次时间片到来继续执行。相当于多个用户使用一台主机设备。分时操作系统具有：同时性、交互性、独立性、及时性。分时操作系统不仅解决了CPU利用率的问题还解决了人机交互问题，但是分时操作系统不能够优先处理紧急的任务。 拓展：分时操作系统其实使用了时分复用技术，（百度百科：时分复用技术（time-division multiplexing, TDM）是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输；在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。这种技术可以在同一个信道上传输多路信号。）说实话看了几遍大致理解了，举个例子一个厕所供10个人使用，每个人用5分钟，那么先让第一个人用一分钟，以此类推，第11分钟再让的一个人使用一分钟等五十分钟过去了，就运行结束，增加了用户的体验性，不用等那么久。

实时操作系统

为了解决分时操作系统不能优先解决紧急的问题，出现了实时操作系统。遇到某个紧急情况的时候，不需要按时间片选排队，直接执行该程序。既有及时性与可靠性。 + 硬实时操作系统：在规定的时间内必须执行完某段程序，如果执行不完，会造成严重的后果。比如：导弹系统 + 软实时操作系统：能够偶偶的超时完成程序不会造成太大的影响。

网络和分布操作系统

这个暂时不懂

特征

并发

• 定义：
  • 并发：两个或者多个事件在同一时间间隔内发生。
  • 并行：两个或者多个事件在同一时刻内发生
• 并发行是指计算机系统中同时存在多个程序，比如你先吃饭，然后看电视；并行性是指计算机系统又有同时处理多个事件的能力，比如你边看电视边吃饭。

共享

• 定义：共享是指系统中资源可以供多个并发执行的程序使用。比如打印机设备
• 互斥共享：在一段时间内只允许一个进程访问资源
• 同时访问：可同是允许多个进程使用资源

虚拟

• 虚拟的本质就是把物理的实体转换成逻辑上的对应物
• 时分复用技术：把处理器的执行时间换成多个时间片，每个时间片内执行一个进程，片选时间到了，不管进程是否执行完毕，都去下一个进程。循环执行。
• 空分复用技术：把内存划分成多个存储区域（C、D、E、F盘面）

异步

• 多道程序环境允许多个程序并发进行，但由于资源有限并不是一贯到底的，而是一个进程走走停停，以不可预知的速度向前执行。
• 简单理解就是一个进程，要运行多次才能允许完毕，得到结果。

四者关系

• 并发与共享是操作系统最基本的特征，二者互为条件存在。
• 资源共享是以程序的程序的并发为条件，程序不允许并发就不会存在资源共享。
• 如果系统不能够对资源进行有效的管理，则一定会影响程序的程序的并发

OS的运行机制

机制的组成

• CPU的两种状态：内核态（核心态）、用户态（管态）
• 两个程序：内核程序、应用程序
• 两种指令：特权指令、非特权指令

机制之间的关系

• 内核态是用户态的管理者
• 内核态下运行内核程序，用户态下运行于程序
• 内核态下和内核程序中都可以执行特权指令
• 内核程序可以通过特权指令管理应用程序

CPU什么时候转变状态

• 系统调用：这是用户进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户进程通过系统调用申请操作系统提供的服务程序完成工作。
• 异常：这是用户进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户进程通过系统调用申请操作系统提供的服务程序完成工作。
• 外围设备中断请求：当外围设备完成用户请求的操作之后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条将要执行的指令

中断和异常

作用

• 中断：也称为外中断，来自CPU执行指令意外发生的事情。
• 异常：称为内中断，来自CPU执行指令内部的事件

区别

• 中断
  • 外中断（强迫中断）
    • 外设请求
    • 人的干预
  • 内中断
    • 自愿中断
      • 指令中断
    • 强迫中断
      • 硬件故障
      • 软件故障

如何处理中断与异常

• 硬件完成
  • 关中断
  • 保存断点
  • 引出中断服务程序
• 中断程序完成
  • 保存现场和屏蔽字
  • 开中断
  • 执行中断服务程序
  • 关中断
  • 恢复现场与屏蔽字
• 硬件完成
  • 开中断
  • 中断恢复

系统调用

概念

• 是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，可以视为特殊的公共子程序。

操作系统提供系统调用命令分类

• 设备管理：完成设备的请求或者释放，以及设备启动等功能
• 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除
• 进程控制：进程的创建、撤销 、阻塞、唤醒
• 进程通信：完成进程之间的消息传递
• 内存管理：内存的分配、回收等

过程

• 用户态，用户的进程执行
• 用户态，请求使用系统调用
• 内核态，执行系统调用
• 返回给用户态

OS体系结构

大内核

• 组成
  • 用户态：应用程序
  • 内核态：1、进程管理；2、存储管理；3、设备管理 ｜1、时钟管理；2、中断管理；3、原语
• 优点：高性能，因为很多东西都在内核态完成，不需要在内核态与用户态之间频繁的转换
• 缺点：结构混乱、难以维护

微内核

• 组成
  • 用户态：应用程序｜1、进程管理；2、存储管理；3、设备管理
  • 内核态：1、时钟管理；2、中断管理；3、原语
• 优点：结构简单，容易维护
• 缺点：性能低