操作系統(tǒng)的概念和功能

1.1 操作系統(tǒng)

1.1.1 操作系統(tǒng)的概念和功能

概念

操作系統(tǒng)（Operating System， OS）是指控制和管理整個計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，并合理地組織調(diào)度計算機(jī)的工作和資源的分配；以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環(huán)境；它是計算機(jī)系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件。

功能和目標(biāo)

①操作系統(tǒng)是系統(tǒng)資源的管理者

②向上層提供方便易用的服務(wù)

封裝思想：操作系統(tǒng)把一些丑陋的硬件功能封裝成簡單易用的服務(wù)，使用戶能更方便地使用計算機(jī)，用戶無需關(guān)心底層硬件的原理，只需要對操作系統(tǒng)發(fā)出命令即可。

• GUI ：圖形化用戶接口（Graphical User Interface）。用戶可以使用形象的圖形界面進(jìn)行操作，而不再需要記憶復(fù)雜的命令、參數(shù)。例如,在Windows 操作系統(tǒng)中，刪除一個文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。
• 聯(lián)機(jī)命令接口 =交互式命令接口：用戶說一句，系統(tǒng)跟著做一句.例如,執(zhí)行cmd的相關(guān)命令
• 脫機(jī)命令接口 =批處理命令接口：用戶說一堆，系統(tǒng)跟著做一堆.例如,執(zhí)行以bat后綴的文件
• 程序接口 ：可以在程序中進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用來使用程序接口。普通用戶不能直接使用程序接口，只能通過程序代碼間接使用。例如,寫C語言Hello world程序時，在printf 函數(shù)的底層就使用到了操作系統(tǒng)提供的顯式相關(guān)的“系統(tǒng)調(diào)用”

③是最接近硬件的一層軟件

需要實現(xiàn)對硬件機(jī)器的拓展

沒有任何軟件支持的計算機(jī)稱為裸機(jī)。在裸機(jī)上安裝的操作系統(tǒng)，可以提供資源管理功能和方便用戶的服務(wù)功能，將裸機(jī)改造成功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器

通常把覆蓋了軟件的機(jī)器成為擴(kuò)充機(jī)器，又稱之為虛擬機(jī)

1.2 操作系統(tǒng)的特征

基本特征

并發(fā)、共享、虛擬、異步

并發(fā)

兩個或者多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生,這些事件宏觀上是同時發(fā)生的，但微觀上是交替發(fā)生的

使得系統(tǒng)具有處理和調(diào)度多個程序同時執(zhí)行的能力

操作系統(tǒng)的并發(fā)是通過分時實現(xiàn)的

注意 ：并發(fā)是指在一個時間段,并行是指在同一個時刻,并行是指系統(tǒng)具有同時執(zhí)行或操作（硬件支持：多流水線或者多處理機(jī)）

• 單核CPU同一時刻只能執(zhí)行一個程序，各個程序只能并發(fā)地執(zhí)行
• 多核CPU同一時刻可以同時執(zhí)行多個程序，多個程序可以并行地執(zhí)行

共享

• 互斥共享方式: 例如打印機(jī)、磁帶， 同一時刻只能供一個進(jìn)程對資源進(jìn)行訪問 。這種資源稱作：臨界資源或者獨占資源
• 同時訪問方式: 一段時間內(nèi)允許多個進(jìn)程對資源進(jìn)行訪問 ,典型代表：磁盤設(shè)備重入碼編寫的文件

虛擬

虛擬是指把一個物理上的實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。物理實體（前者）是實際存在的，而邏輯上對應(yīng)物（后者）是用戶感受到的。

虛擬處理器：采用多道程序并發(fā)的方式，讓每個終端用戶感覺到有多個處理器 時分復(fù)用技術(shù)

虛擬存儲器：將物理存儲變?yōu)樘摂M存儲器，邏輯上擴(kuò)充存儲器用 空分復(fù)用技術(shù)

也可以將一臺IO設(shè)備虛擬為多臺邏輯上的IO設(shè)備，并允許每個用戶占用一臺邏輯上的IO設(shè)備

異步

在多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的，多道程序走走停停，進(jìn)程以不可預(yù)知的速度向前進(jìn)

并發(fā)和共享的關(guān)系

• 并發(fā)性指計算機(jī)系統(tǒng)中同時存在著多個運行著的程序。
• 共享性是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。
• 故并發(fā)性和共享性互為存在條件

并發(fā)和虛擬的關(guān)系

如果失去了并發(fā)性，則一個時間段內(nèi)系統(tǒng)中只需運行一道程序，那么就失去了實現(xiàn)虛擬性的意義了。因此，沒有并發(fā)性，就談不上虛擬性

并發(fā)和異步的關(guān)系

只有系統(tǒng)擁有并發(fā)性，才有可能導(dǎo)致異步性。

1.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類

手工操作階段

• 主要缺點: 用戶獨占全機(jī)、人機(jī)速度矛盾導(dǎo)致資源利用率極低

單道批處理

引入脫機(jī)輸入/輸出技術(shù)（用外圍機(jī)+磁帶完成），并由監(jiān)督程序負(fù)責(zé)控制作業(yè)的輸入、輸出

• 主要優(yōu)點：緩解了一定 程度的人機(jī)速度矛盾， 資源利用率有所提升。
• 主要缺點：內(nèi)存中僅能 有一道程序運行，只有 該程序運行結(jié)束之后才 能調(diào)入下一道程序。CPU有大量的時間是在 空閑等待I/O完成。資源 利用率依然很低。

多道批處理

• 主要優(yōu)點：多道程序并發(fā)執(zhí)行，共享計算機(jī) 資源。資源利用率大幅提升，CPU和其他資源更能保持“忙碌”狀態(tài)，系統(tǒng)吞吐量增大。
• 主要缺點：用戶響應(yīng)時間長，沒有人機(jī)交互功能（用戶提交自己的作業(yè)之后就只能等待計算機(jī)處理完成，中間不能控制自己的作業(yè) 執(zhí)行。eg：無法調(diào)試程序/無法在程序運行過 程中輸入一些參數(shù)）

分時操作

分時操作系統(tǒng)：計算機(jī)以時間片為單位輪流為各個用戶/作業(yè)服務(wù)，各個用戶可通過終端與計算機(jī)進(jìn)行交互。

• 主要優(yōu)點：用戶請求可以被即時響應(yīng)，解決了人機(jī)交互問題。允許多個用戶同時使用一臺計算機(jī)，并且用戶對計算機(jī)的操作相互獨立，感受不到別人的存在。
• 主要缺點：不能優(yōu)先處理一些緊急任務(wù)。操作系統(tǒng)對各個用戶/作業(yè)都是完全公平的，循環(huán)地為每個用戶/作業(yè)服務(wù)一個時間片，不區(qū)分任務(wù)的緊急性。

實時操作

在實時操作系統(tǒng)的控制下，計算機(jī)系統(tǒng)接收到外部信號后及時進(jìn)行處理，并且要在嚴(yán)格的時限內(nèi)處理完事件。實時操作系統(tǒng)的主要特點是及時性和可靠性

• 主要優(yōu)點：能夠優(yōu)先響應(yīng)一些緊急任務(wù)，某些緊急任務(wù)不需時間片排隊。

其他幾種操作系統(tǒng)

• 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) ：是伴隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而誕生的，能把網(wǎng)絡(luò)中各個計算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送等功能， 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各種資源的共享（如文件共享）和各臺計算機(jī)之間的通信 。（如：Windows NT 就是一種典型的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)站服務(wù)器就可以使用）
• 分布式操作系統(tǒng) ：主要特點是分布性和并行性。系統(tǒng)中的各臺計算機(jī)地位相同， 任何工作都可以分布在這些計算機(jī)上，由它們并行、協(xié)同完成這個任務(wù) 。
• 個人計算機(jī)操作系統(tǒng) ：如Windows XP、MacOS，方便個人使用。

1.4 操作系統(tǒng)的運行機(jī)制

運行機(jī)制

兩種處理器狀態(tài)：內(nèi)核態(tài) & 用戶態(tài)

CPU 中有一個寄存器叫 程序狀態(tài)字寄存器（PSW），其中有個二進(jìn)制位，1表示內(nèi)核態(tài)，0表示用戶態(tài)

別名：**內(nèi)核態(tài)=核心態(tài)=管態(tài)；用戶態(tài)=目態(tài)**

• CPU 有兩種狀態(tài)，“內(nèi)核態(tài)”和“用戶態(tài)”
  • 處于內(nèi)核態(tài)時，說明此時正在運行的是內(nèi)核程序，此時可以執(zhí)行特權(quán)指令
  • 處于用戶態(tài)時，說明此時正在運行的是應(yīng)用程序，此時只能執(zhí)行非特權(quán)指令

• 內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)的切換
  • 內(nèi)核態(tài)--用戶態(tài)：執(zhí)行一條特權(quán)指令——修改PSW的標(biāo)志位為“用戶態(tài)”，這個動作意味著操作系統(tǒng)將主動讓出CPU使用權(quán)
  • 用戶態(tài)--內(nèi)核態(tài)：由“ 中斷 ”引發(fā)，硬件自動完成變態(tài)過程，觸發(fā)中斷信號意味著操作系統(tǒng)將強(qiáng)行奪回CPU的使用權(quán)

內(nèi)核

內(nèi)核是計算機(jī)上配置的底層軟件，是操作系統(tǒng)最基本、最核心的部分。實現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核功能的那些程序就是內(nèi)核程序。

原語

原語是一種特殊的程序。是最接近硬件的部分，這種程序的運行具有原子性。

大內(nèi)核和微內(nèi)核

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)問題與企業(yè)的管理問題很相似。

• 大內(nèi)核 ：企業(yè)初創(chuàng)時體量不大，管理層的人會負(fù)責(zé)大部分的事情。優(yōu)點是效率高；缺點是組織結(jié)構(gòu)混亂，難以維護(hù)。
• 微內(nèi)核 ：隨著企業(yè)體量越來越大，管理層只負(fù)責(zé)最核心的一些工作。優(yōu)點是組織結(jié)構(gòu)清晰，方便維護(hù)；缺點是效率低

1.5 中斷和異常

中斷的作用

CPU 上會運行兩種程序，一種是操作系統(tǒng)內(nèi)核程序，一種是應(yīng)用程序

中斷是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核奪回CPU使用權(quán)的唯一途徑

中斷的類型

• 內(nèi)中斷 : 與當(dāng)前執(zhí)行的指令有關(guān)，中斷信號來源于CPU內(nèi)部
• 外中斷 : 與當(dāng)前執(zhí)行的指令無關(guān)，中斷信號來源于CPU外部

中斷機(jī)制的基本原理

不同的中斷信號，需要用不同的中斷處理程序來處理 。當(dāng)CPU檢測到中斷信號后，會根據(jù)中斷信號的類型去查詢中斷向量表，以此來找到相應(yīng)的中斷處理程序在內(nèi)存中的存放位置。

1.6 系統(tǒng)調(diào)用

• 系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)的區(qū)別

“系統(tǒng)調(diào)用”是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序（程序員/編程人員）使用的接口，可以理解為一種可供應(yīng)用程序調(diào)用的特殊函數(shù)，應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用來請求獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核的服務(wù)

應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。而系統(tǒng)中的各種共享資源都由操作系統(tǒng)內(nèi)核統(tǒng)一掌管，因此 凡是與共享資源有關(guān)的操作（如存儲分配、I/O操作、文件管理等），都必須通過系統(tǒng)調(diào)用的方式向操作系統(tǒng)內(nèi)核提出服務(wù)請求 ，由操作系統(tǒng)內(nèi)核代為完成。這樣可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，防止用戶進(jìn)行非法操作。

1.7 操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

• 典型的大內(nèi)核/宏內(nèi)核/單內(nèi)核 操作系統(tǒng)：Linux、UNIX
• 典型的 微內(nèi)核 操作系統(tǒng)：Windows NT