《操作系统原理》学习笔记：第1章 概述

前言：该系列文章为笔者学习清华大学《操作系统原理》相关课程笔记，参考书籍《操作系统概念》《现代操作系统等》。如果涉及相关书籍或课程版权，联系即删～

章节	博文
1	《操作系统原理》学习笔记：第1章 概述
2	《操作系统原理》学习笔记：第2章 操作系统基础操作
3	《操作系统原理》学习笔记：第3章 操作系统内存管理
4	《操作系统原理》学习笔记：第4章 非连续内存分配
5	《操作系统原理》学习笔记：第5章 虚拟内存
6	待续……

1.1 什么是操作系统

• 用户角度上，操作系统是一个控制软件
  管理应用程序，为应用程序提供服务，杀死应用程序，同时为用户提供一些操作界面

• 计算机内部角度上，操作系统为资源管理
  管理外设，分配资源
  

• 操作系统架构层次结构
  硬件之上，应用程序之下

• Linux，Windows，Android的界面属于外壳（Shell），Kernel是研究重点，位于Shell之下

1.2 Kernel操作系统内部组件

• CPU调度器

• 物理内存管理

• 虚拟内存管理

• 文件系统管理

• 中断处理与设备驱动

1.3 OS Kernel的特征

• 并发
  计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度

  并发：在一段时间内，有多个程序运行

  并行：在一个时间点上，有多个程序可以运行。要求计算机系统有多个CPU

• 共享
  “同时”访问，互斥共享（根据资源特征，区别是同时共享，还是互斥共享）

• 虚拟
  将磁盘虚拟为文件，将内存虚拟为地址空间……
  利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务

• 异步
  程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可知
  但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同

1.4 学习操作系统的挑战

• 操作系统很大
  Windows XP有4500万行，实际操作系统代码量巨大，不可能完全掌握，目标是要理解其核心内容

• 操作系统管理并发
  方法导致有趣的编程挑战

• 操作系统代码管理原始硬件
  时间依赖行为，非法行为，硬件故障

• 操作系统代码必须是高效的
  低耗CPU、内存、磁盘的

• 操作系统出错，就意味着机器出错
  操作系统必须比用户程序拥有更高的稳定性

• 操作系统是系统安全的基础

• 操作系统需要权衡
  空间和时间、性能和可预测性、公平和性能

• 硬件方面，操作系统需要：良好的硬件管理，合理的资源分配
  例如：磁盘速度跟CPU、内存相差很多，操作系统需要协调处理

  1.5 操作系统实例

• UNIX家族
  UNIX BSD（伯克软件发行版）基于此，开发有惠普hp，苹果apple等

• Linux家族
  仿UNIX，基于此，开发有redhat，fedoro，Ubuntu等
  移动终端，google眼镜google手表

• Window家族
  微软从DOS发展至今

1.6 操作系统的历史与发展

• 早期计算机使用纸带传输程序和数据，操作系统只起到加载作用

• CPU 等硬件快速发展，计算机速度得到提升，性能未得到充分利用

• 内存容量越来越大，CPU执行多个程序（多道程序设计）

• 为了更好的利用计算机资源，并且更好的和用户交互，出现了分时系统（中断帮助操作系统完成分时调度）

• 80年代，个人电脑操作系统
  最初：操作系统最初作为一个简单的服务提供者
  现在：支持协调和沟通的多应用系统

• 发展趋势
  多核多处理
  网络的快速发展，出现了分布式操作系统

  1.7 操作系统结构

• 简单操作系统：MS-DOS（1981～1994）不分模块的单体内核
  囿于内存，CPU的能力限制
  容易被攻击破坏，很难扩展

• Unix操作系统：1972贝尔实验室设计
  可移植，可扩展

• uCore实验用操作系统，仿照Unix操作系统

• 微内核
  将操作系统主要的功能，如中断放入内核，其它的功能如文件管理通过服务调用
  优点：安全（地址隔离），松耦合
  缺点：文件系统和内存管理交互需多次拷贝，从函数调用变为系统调用，消息传递机制来进行通信，性能降低

• 外核（产生于90年代，主要在学术界，需进一步研究）
  操作系统内核分为两块，其一完成硬件功能复制，另一个libOS与具体应用结合

  多个libOS可以并发访问硬件，且与具体应用结合，性能可调节优化

• VMs虚拟机，运行在操作系统之下，硬件之上
  在一台物理计算机上可以虚拟出多台计算机系统
  硬件资源过剩，充分利用CPU性能
  VMM（虚拟机监视器）