操作系统学习笔记（一）

操作系统

​ 操作系统（Operating System,OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织、调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口和环境的程序集合

1.特征

1.1并发和并行（辨析）

​ 并发是指两个或两个以上事件在同一时间间隔发生，为了使程序能并发执行而引入进程

​ es.操作系统的并发性通过分时实现

​ 并行是指两个或两个以上事件在同一时刻发生，需要硬件支持

​ es.单处理机系统中进程与进程不可并行

1.2共享

​ 资源共享即共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用

• 互斥共享方式

​ 系统中的某些资源（打印机），虽然可供多个进程共同使用，但是为了避免错乱，混淆，规定在一段时间内只允许一个进程访问，称该种资源为临界资源（独占资源）

• 同时访问方式

​ 该种资源允许在一段时间内多进程“同时”（宏观，实际上是“分时共享”）访问，比如磁盘设备，但是，也存在真同时（扬声器）

1.3虚拟

​ 指把一个物理上的实际实体变为若干逻辑上的对应物

​ eg.时分复用技术：虚拟处理器，利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU,使得每个终端用户都感觉有专门的一个中央处理器（CPU）为其服务

​ and.空分复用技术：虚拟存储器，利用虚拟存储器技术将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上扩充存储器的容量。

1.4异步

​ 多道程序环境允许多个进程并发执行，但由于资源限制，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度前进

​ At.异步性，如果访问顺序不当，可能导致进程产生于时间有关的错误，所以OS要保证多次运行进程后都能获得相同的结果

2.OS的目标和功能

2.1计算机资源的管理者

• 处理机管理

  处理机的分配和运行以进程（线程）为基本单位，进程管理的主要功能包括：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度

• 存储器管理

  为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用以及提高内存的利用率。包括：内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能

• 文件管理

  计算机中的信息以文件形式存在，操作系统中负责管理文件的部分称为文件系统，文件管理包括：he文件存储空间的管理、目录管理以及文件读写管理和保护等

• 设备管理

  主要任务是完成用户的I/O请求，提高设备利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等

2.2.用户与计算机之间的接口

——为了使用户方便、快捷、可靠的操纵计算机硬件（通过接口，间接）并运行自己的程序

• 命令接口

  用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行，可以分为联机命令接口（交互性）和脱机命令接口（批处理）

• 程序接口（系统调用）

  程序接口由一组系统调用（广义指令）组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务（使用外部设备、申请回收、分配内存）

• 图形接口（GUI）

  GUI通过调用系统调用实现，图形接口本身并不属于操作系统，当时其调用的系统调用命令是操作系统的一部分。

2.3扩充机器

​ 没有任何软件支持的计算机称为裸机，操作系统所提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强，使用更方便的机器，通常称覆盖了软件的机器为扩充机器或虚拟机

3.发展与分类

发展过程	优点	缺点
手工操作阶段（无操作系统）		用户独占全机，人机速度矛盾
批处理阶段（单道批处理系统）	一定程度上缓解人机速度矛盾	资源利用率仍然很低
批处理阶段（多道批处理系统）	多道程序并发执行，资源利用率高	缺少人机交互性
分时操作系统	提供人机交互功能	不能优先处理紧急任务
实时操作系统	能够有优先处理紧急任务，及时性和可靠性得到保障

4.运行机制

4.1基本背景

​ CPU一般执行两种程序，操作系统内核程序、用户自编程序。为了系统的安全性，操作系统作为系统资源的管理者，为了保证系统的安全性，内核程序管理应用程序，那么理所当然，内核程序有更高的权限，能够执行应用程序无法执行的特权指令来安全地调度资源，所以，为了区分，引入用户态和内核态两种工作状态，区分两者的关键是程序状态字寄存器（PSW）的某二进制位（0、1）。

4.2用户态和内核态的切换

​ 为了安全，用户态不允许直接使用内核态的功能，但是，不可避免的需要用到这些功能，中断或异常在这里就显得至关重要，用户可以发送系统调用请求，发送需要的中断信号，将用户态转变为内核态（PSW硬件实现），通过内核态安全地调用需要的功能或资源，处理完后在将CPU使用权交还给用户态。

​ At.中断和异常是唯一将用户态转换为内核态的方式

4.3中断和异常

• 中断（外中断）:指来自CPU执行指令外部的事件的发生，比如时钟中断（实现并发），I/O设别的请求
• 异常（内中断）:指源自CPU执行指令内部的事件的发生，比如访管指令（处理后权力交还），缺页故障（处理后权力交还），除零错误（终止应用程序）

4.4系统调用

​ 操作系统是系统资源的管理者，凡是与资源相关的操作（存储分配，I/O传输，文件管理）等都要由操作系统统一管理以避免一些”奇怪“的错误，系统调用按功能分：

• 设备管理：完成设别的请求和释放，设备启动
• 文件管理：文件的读，写，创建，删除
• 进程控制：进程的创建、撤销、阻塞和唤醒
• 内存管理：完成内存的分配、回收获取作业占用内存区大小以及起始地址等

5体系结构

5.1大内核

​ 与硬件密切相关的时钟管理、中断机制、原语以及系统控制的数据结构以及处理（进程管理、存储器管理、设备管理）

5.2微内核

——为了便于维护增加系统的可靠性提出微内核

​ 仅保留内核中最基本的功能，将不需要在内核态执行的功能移到用户态

​ At.这样虽然结构是比较清晰的，但是由于需要频繁的在用户态和内核态切换，所以性能是降低的。

Tips

• 高级程序设计语言的编译器、源程序不是OS关心的

• 库函数是高级语言中提供的与系统调用对应的函数（一些库函数甚至与系统调用无关）属于用户程序而非系统调用，它是系统调用的上层。

and.未使用系统调用的函数效率更高，因为不涉及上下文的切换以及状态的切换（用户态和核心态）。

• 操作系统不提供管理系统缓存的系统调用

• 引入多道程序设计后，程序的执行就失去了封闭性和顺序性，程序执行因为共享资源的相互协同而产生了竞争，而相互制约，考虑到竞争的公平性，所以程序的执行是间断的，顺序性是单道程序设计的基本特征。

• 系统开机后，操作系统的程序会被自动加载到内存的系统区。

• 应用程序先被送到内存区后在执行

• 用户态到核心态的转换是由硬件完成的

• 调用，请求和执行的区别，请求系统调用是在用户态，具体的系统调用在内核态

• 内核态可以执行的指令是除“访管”指令以外的全部指令