1. 操作系统导论
学习操作系统要会的前期知识：基本数据结构与算法、计算机组成、一门编程语言。
操作系统导论
操作系统： 是管理计算机硬件的程序。充当用户和硬件之间的媒介。
问：为什么要有操作系统？
答：为了更好的管理计算机的硬件和编写软件。（由操作系统统一管理硬件，而不是各个应用程序自己来操作硬件）。
本质上讲，计算机就是用来计算的，运行的软件最终也要落实到硬件上。例如word文档编辑软件，如果没有操作系统，那么这个软件既要有接收鼠标和键盘输入的功能，又要有管理硬盘来保存文档的功能，还要控制显示器的输出功能。
计算机领域一个重要的概念就是抽象与分层，所以就有了操作系统这个大管家，来统一管理硬件。还是上面的例子，键盘的输入不会直接到word，键盘设备的输入会到操作系统，由操作系统处理后再传递到word软件。这样word软件也变得好写多了。
接下来将从计算机系统说起，讲到操作系统的各个方面。
1.操作系统的功能
计算机的四个组件：硬件、操作系统、应用程序、用户。
- 用户视角：使用方便。优化资源的利用率，让计算机的各部分相互配合的更好，让用户体验更好（通俗的讲就是，效率高，不卡）。
- 计算机角度：可将操作系统看作是资源分配器。在面对多种任务的时候，操作系统能合理的分配资源（CPU时间、内存空间、文件存储空间、IO设备等）。
2.计算机系统的组成
CPU、设备控制器、总线。
CPU和若干设备控制器通过总线相连接，总线提供共享内存的访问。
2.1操作系统的运行
CPU取指是到内存中去取，只有把程序加载到内存中才能被执行。
操作系统也是程序，但是它在硬盘里啊，它是怎么被执行的呢？
答：
（1）计算机打开电源，立马运行一个初始程序（也叫引导程序，bootstrap program），一般位于计算机的主板里。
（2）引导程序加载操作系统内核到内存，然后执行内核。
（3）操作系统会启动一些系统进程或后台程序，系统就开始服务了。
操作系统能工作是因为有中断。通过中断来通知操作系统有事件发生，然后操作系统才根据中断来决定要做的事情，要是没有中断，操作系统就不会执行，无所事事。
2.2 存储结构
上面说到CPU只去内存中取指令，所以程序必须被加载到内存中。可以把要执行的程序统统放到内存中，但是（1）内存的容量有限，价格昂贵（2）内存是易失性的，即掉电丢失。
所以要把程序先存到掉电不丢失且容量大，便宜的磁盘或硬盘中，等要运行程序时，把程序从硬盘加载到内存再取指令执行。
2.3 I/O结构
存储器也是属于IO设备。
CPU通过总线与设备控制器相连。
操作系统为每个设备控制器提供一个设备驱动程序。
设备控制器负责相关设备与本地缓冲存储之间进行数据传递。（注：）
3.计算机系统的体系结构
单处理器：一个通用CPU。
多处理器：（1）主从关系（2）对等关系。
多个CPU或者多个计算核（多核处理器）。
4.操作系统的结构
前面讨论了计算机系统的组成和体系结构，下面说说操作系统。
操作系统最重要的能力就是多道程序并发运行的能力。
多道程序设计就是使CPU在一段时间内可以执行多个程序，而不是彻底执行完A程序，再去执行B程序。运行中的程序称为进程。
- 进程管理（1）何时停止执行一个进程，（2）如何切换别的进程来执行，（3）内存中那么多的程序都可以执行，决定执行哪一个。这就需要操作系统来进行进程管理。
- 内存管理（1）程序保存在磁盘或硬盘等外存储器中，要加载到内存才能被执行，那么多程序加载到内存中如何存放，（2）加载完整的程序还是只加载一部分（3）何时把内存中的程序移除内存。这就需要操作系统的内存管理。
- 存储管理（1）用户操作数据是通过文件的形式，而在存储设备上就是二进制位。（2）如何找到文件，通过目录，文件的形式（3）如何保障多用户使用时，文件是安全的。这就需要操作系统的存储管理。
- IO控制
5.操作系统的执行
现代操作系统时中断驱动的，如果没有中断，就代表没有事件发生，操作系统就默默地等待着。
操作系统的权力很大，能执行一些特权指令，而用户程序则不能。
为了确保操作系统的正确运行，分为两种模式：用户模式、系统模式。
计算机硬件通过一个模式位来表示当前的模式。
用户模式就是CPU执行用户代码。系统模式就是CPU执行操作系统的代码。
有了多种模式，用户代码的权力就会受到限制，就不会因为出错而导致整个系统的错乱。
6.进程管理
执行的程序称为进程。/为了完成任务，进程需要一些资源，如CPU时间、内存、文件、IO设备。
操作系统负责进程管理的以下功能：
- 在CPU上调度进程和线程
- 创建和删除用户进程和系统进程
- 挂起和重启进程
- 提供进程同步机制
- 提供进程通信机制
7.内存管理
- 记录内存的哪部分在被使用以及被谁使用
- 决定哪些进程（或其部分）会调入或调出内存
- 根据需要分配和释放内存
8.存储管理
8.1文件系统
- 创建和删除文件
- 创建和删除目录，以便组织文件
- 提供文件和目录的操作原语
- 映射文件到内存
- 备份文件到稳定的存储介质
8.2大容量存储器管理
- 空闲空间管理
- 存储空间分配
- 硬盘调度
8.3高速缓存
由于局部性原理，高级缓存能极大的提高计算机的效率。
高速缓存的设计必须很精妙，才能发挥出它的性能。
8.4 IO系统
操作系统要为用户隐藏具体硬件设备的特性。
- 包括缓冲、高速缓存和假脱机的内存管理组件
- 设备驱动器的通用接口
- 特定硬件设备的驱动程序
9.保护与安全
计算机有多个用户，而且多个进程并发执行。就要确保各个用户互不干扰且安全可靠。
UNIX中有用户ID，组ID。
一个文件有三种权限：所有者、组用户、其他用户。
10.内核数据结构
在操作系统内核中常用的一些基本的数据结构：
列表、栈、队列、树、哈希表、位图。
11.计算环境
- 传统计算
- 移动计算(笔记本电脑，手机……)
- 分布计算
- 客户机-服务器
- 对等计算
- 虚拟化
- 云计算
- 嵌入式系统
12.开源操作系统
Linux、BSD UNIX、Solaris……
13.小结
本章是导论的知识，对操作系统的大体认识和形成一个整体框架。
了解计算机系统的组成和操作系统的组成及其各部分的功能。