操作系统春招面试复习之:操作系统概述
一、操作系统做了什么
通过一个例子进行说明:给出一个c
程序helloworld
#include<stdio.h>int main(int argc, char *argv[]){puts(“hello world”);return 0;}
**说明:**其功能就是在标准的显示器上显示一个字符串。下面看此程序的执行过程。
首先用户要告诉操作系统执行此程序:
如何告知?比如我们可以在命令行输入相应的命令或者双击此程序的图标。
操作系统接到用户的请求之后就会到磁盘上找到此程序的相关信息,检查其类型是否是可执行文件;并通过程序首部信息,确定代码和数据在可执行文件中的位置并计算出对应的磁盘块地址。
为了要执行此程序,操作系统首先要创建一个新的进程,并将此程序的可执行文件映射到该进程结构,表示由该进行执行此程序。之后操作系统为此程序设置
CPU
上下文环境,并跳到程序开始处(假设调度程序选中了此程序)。当在执行程序的第一条指令的时候会发生缺页异常:因为程序在执行的时候,先要将程序的代码和数据装入内存,
CPU
才能够去执行。但是此时还没有读入内存,于是硬件机制就会捕获此异常,并且把控制权交给操作系统。操作系统管理了系统中的内存,当然内存有很多中,比如这里我们拿页式管理方案的话,内存就会有很多的物理页面,操作系统的内存管理模块就会分配一页空闲物理内存,并且根据前面计算出的磁盘块地址把程序代码读到内存中,然后继续执行程序。有时候程序可能很大,所以一次分配可能不够,于是在执行过程中可能产生多次缺页异常。
然后程序执行
puts
函数(系统调用)。而puts函数是一个系统调用,于是控制权又交给了操作系统。操作系统找到要将字符串送往的显示设备,通常设备是由一个进程控制的,所以,操作系统将要写的字符串送给该进程。
控制设备的进程告诉设备的窗口系统它要显示的字符串,窗口系统确定这是一个合法的操作,然后将字符串转换成像素,将像素写入设备的存储映像区。
然后视频硬件将像素转换成显示器可以接收的一组控制/数据信号。显示器然后解释此信号,激发液晶屏。
总结:
- 从用户的角度看上述执行过程
这是从用户角度来看的程序运行过程。
- 从操作系统的角度来看就是,如果操作系统选中了一个程序,那么就去调度此程序执行,程序执行过程中会不断的陷入操作系统,由操作系统去提供一些服务,当服务完成之后操作系统又会去调用程序去执行。
二、操作系统的定义和作用
2.1 定义
操作系统是计算机系统中的一个系统软件,是一些程序模块的集合:
- 它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源
- 合理地组织计算机的工作流程,控制程序的执行并向用户提供各种服务功能
- 使得用户能够灵活、方便地使用计算机,使整个计算机系统高效运行。
2.2 操作系统管的作用
2.2.1 资源的管理者:有效
这是从自底向上看的,即从操作系统内部来看。
- 硬件资源:
CPU
、内存、设备等 - 软件资源:磁盘上的文件、各类管理信息等。
1、怎样管理资源?
- 跟踪记录资源的使用状况:这是使用各类数据结构来跟踪的,跟踪的信息有如哪些资源空闲,分配给谁使用,允许使用多长时间等。
- 确定资源分配侧露:即需要相关的算法。如静态分配策略(进程需要的资源一开始就分配好,会导致浪费),动态分配策略(在一个进程的执行过程中什么时候需要什么时候分配)
- 实施资源的分配和回收
- 提供资源利用率
- 保护资源的使用
- 协调多个进程对资源请求的冲突
2、从资源管理的角度:五大基本功能(重点)
- 进程/线程管理(
CPU
管理):进程线程状态、控制、同步互斥、通信、调度、… - 存储管理:分配/回收、地址转换、存储保护、内存扩充、…
- 文件管理:文件目录、文件操作、磁盘空间、文件存取控制、…
- 设备管理:设备驱动、分配回收、缓冲技术、…
- 用户接口:命令接口,程序接口,图形接口
2.2.2 向用户提供各种服务:方便使用
操作系统是各种系统服务的提供者
在操作系统之上,从用户角度来看:
操作系统为用户提供了一组功能强大。方便易用的命令或系统调用
典型服务:
进程的创建、执行;文件和目录操作;
IO
设备的使用;各类统计信息;…
2.2.3 对硬件机器的扩展:扩展能力
操作系统是硬件之上的第一层软件,我们使用操作系统将硬件屏蔽,而让操作系统给我们提供操作各类硬件的接口。因为与硬件相关的工作是很复杂和繁琐的。于是操作系统就是对硬件机器的扩展:
- 操作系统在应用程序与硬件之间建立了一个等价的扩展机器(虚拟机器)
- 对硬件抽象,提高可移植性;比底层硬件更容易编程
三、操作系统的主要特征(重点)
主要特征:并发、共享、虚拟、随机
3.1 并发
指处理多个同时性活动的能力。
由于并发将可能引起很多问题:活动切换、保护、相互依赖的活动间的同步
在计算机系统中同时存在多个程序运行,但
cpu
上:* 宏观上:这些程序同时在执行
- 微观上:任何时刻只有一个程序真正在执行,即这些程序在cpu上是轮流执行的
并行:与并发类似,但多指不同程序同时在多个硬件部件上执行,比如多
cpu
系统。
3.2 共享
操作系统与多个用户的程序共同使用计算机系统中的资源。
操作系统要对系统资源进行合理的分配和使用,资源在一个时间段内交替被多个进程使用。
- 互斥共享(如打印机)
- 同时共享(如可重入代码、磁盘文件)
- 问题:资源分配难以达到最优化,如何保护资源?
3.3 虚拟
- 一个物理实体(如
cpu
)映射为若干个对应的逻辑实体:分时或分空间 - 虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段,可提高资源利用率
3.4 随机
操作系统必须随时对以不可预测的次序发生的事件进行响应并处理
- 进程的运行速度不可预知
- 难以重现系统在某个时刻的状态(包括运行中的错误)
四、典型的操作系统架构
4.1 Windows架构
**说明:**以上是Windows
架构中一步步抽象的结果。这里不细说。
4.2 UNIX架构
4.3 Linux架构
**说明:**这里只给出了内核组件。
4.4 Android架构
五、操作系统分类
5.1 传统分类
5.1.1 操作系统的发展历程
操作系统发展是随着计算机硬件技术、应用需求的发展、软件新技术的出现而发展。
目标:充分利用硬件和提供更好的服务
发展进程:大型机—>个人计算机—>网络—>移动计算机—>云计算—>泛在计算(物联网)—>机器人
分类
批处理操作系统
分时系统
实时操作系统
个人计算机操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
嵌入式操作系统
5.1.2 批处理操作系统
工作方式
1、 用户将作业交给系统操作员
2、 系统操作员将许多用户的作业组成一批作业,输入到计算机系统中,在系统中形成一个自动转接的连续的作业流
3、 启动操作系统
4、 系统自动、依次执行每个作业
5、 由操作员将作业结果交给用户
目标
提高资源利用率,增加作业处理吞吐量
作业包括
用户程序
数据
作业说明书(用作业控制语言编写)
成批
通常由若干作业组成,用户提交作业后只能等待处理结果,不能干预作业的执行
处理
对一批作业中的每个作业进行相同的处理:从磁带读入用户作业和编译连接程序,编译连接用户作业以生成可执行程序;启动执行;输出结果
问题
慢速的输入输出处理直接由主机来完成,输入输出时,
cpu
处于等待状态解决方案
卫星机:完成面向用户的输入输出,中间结果暂存在磁盘上
5.1.3 分时操作系统
时间片
操作系统将
cpu
的时间划分为若干个片段,成为时间片。* 操作系统以时间片为单位,轮流为每个终端用户服务,每次服务一个时间片
- 其特点是利用人的错觉,使用户感觉不到计算机在服务其他人
目标
及时响应(依据是响应时间)
响应时间
从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间
5.1.4 通用操作系统
分时系统与批处理系统结合
原则:分时优先,批处理在后
- “前台”:需要频繁交互的作业
- “后台”:时间性要求不强的作业
5.1.5 实时操作系统
是指使计算机能及时响应外部事件的请求,在规定的严格时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作
分类
第一类:实时过程控制(工业控制、航空、军事控制等)
第二类:实时通信处理(电讯、银行等)
目标
对外部请求在严格时间范围内做出响应
高可靠性
5.1.6 个人计算机操作系统
计算机在某一时间内为单用户服务
目标
界面友好,使用方便,丰富的应用软件
5.1.7 网络操作系统
基于计算机网络:在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件
功能
网络管理,通信,安全,资源共享和各类网络应用
目标
相互通信,资源共享
5.1.8 分布式操作系统
分布式系统:或以计算机网络为基础,或以多处理器为基础,基本特征是处理分布在不同的计算机上
分布式操作系统是一个统一的操作系统,允许若干计算机可相互协作共同完成一项任务。操作系统可将各种系统任务在复试系统中任何处理机上运行,自动实现全系统范围内的任务分配、自动调度、均衡各处理机的工作负载。
处理能力增强、速度更快、可靠性强、具有透明性
5.1.9 嵌入式操作系统
完成某些特定的任务
5.2 另一种分类(TANENBAUM)
- 大型机操作系统
- 服务器操作系统
- 多处理机操作系统
- 个人计算机操作系统
- 掌上计算机操作系统
- 嵌入式操作系统
- 传感器节点操作系统
- 实时操作系统
- 智能卡操作系统
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