程序员养成计划-操作系统篇之初识操作系统

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例如：初识操作系统

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前言

在初次学习操作系统的时候是在2018年，最近有粉丝投稿问能否出几期关于408的文章，盲猜也是在准备考研。恰好今年计蒙也打算考，就当三刷复习了。可能编写的速度比较忙，还请理解。如有不懂可留言。

一、操作系统的概念

1.系统资源的管理者

提供的功能：处理机管理，存储器管理，文件管理，设备管理
目标：安全，高效
小提：执行一个程序前需要将程序放到内存中，才能被CPU处理

2.向上提供服务(接口等)

封装的思想：将一些简单的硬件功能封装成简单易用的服务，方便用户使用，相对于用户而言，无需关心底层硬件的原理，只需向操作系统发出命令即可。

用户使用

• GUI：图形化用户接口
• 联机命令接口：(交互式命令接口)用户说一句，系统做一句。
• 脱机命令接口：(批处理命令接口)用户说一堆，系统跟着做一堆

软件/程序员用：

• 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口，普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

3.最接近硬件的一层软件

通常把覆盖了软件的机器称为扩展机器，又称为虚拟机。
需要实现对硬件机器的拓展（让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能）

二、特征

并发，共享为两个最基本的特征，二者互为存在条件，没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步

并发

两个或者多个事件在同一时间间隔内发生，宏观上同时发生，微观上交替发生。

共享

资源共享，是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用

两种资源共享方式

• 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源
• 同时共享方式：运行一个时间段内由多个进程同时（宏观上）对它们进行访问

虚拟

进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性（时分复用技术）

异步

把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。前者是实际存在的，后者是用户感受到的（空分复用技术）

三、发展与分类

手工操作阶段

用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低

批处理阶段

- 单道批处理系统
			引入脱机输入/输出技术(用外围机+磁带完成)并由监督程序负责控制作业的输入，输出
			优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升
			缺点：内存中仅能有一道程序运行。CPU有大量时间是在空闲等待I/O完成
- 多道批处理系统
			每次往内存中读入多道程序（操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行）
			优点：并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升，CPU保持忙碌，系统吞吐量增大。
			缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能,无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数

分时操作系统

计算机以时间片为单位为各个用户/作业服务，各个用户可以通过终端与计算机进行交互
		优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题，可以多用户同时使用一台计算机
		缺点：不能优先处理一些紧急任务

实时操作系统

能够优先响应一些紧急任务，某些任务不需时间片排队
		要在严格的时间限制内处理完事件。主要特点：及时性，可靠性
		细分:
			硬实时系统：必须在绝对严格的时间内完成
			软实时系统：能接受偶尔违反时间规定

网络操作系统

实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间进行通信

分布式操作系统

分布性和并行性，系统中各计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行，协同完成这个任务

个人计算机操作系统

如 windows XP

四、运行机制

程序的运行

CPU执行一条条的机器指令的过程,二进制的机器指令
普通程序员：应用程序
操作系统的开发：内核程序，很多内核程序合在一起称为操作系统内核，简称“内核”(内核是最接近硬件的部分---管理者)

CPU的两种状态

CPU能判断指令的类型，CPU有两种状态"内核态"和"用户态"

内核态(核心态，管态)：此时运行的是内核程序，此时可以执行的是特权指令
用户态（目态）：运行的是应用程序，只能执行非特权指令
小提：CPU中有个程序状态寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示”内核态“，0表示”用户态“。

内核态和用户态的切换

内–用

执行一条特权指令
修改PSW标志位为”用户态“
操作系统主动让出CPU使用权

用–内

由”中断“引发
硬件自动完成变态的过程
触发中断信号意味着操作系统强夺回CPU使用权
但凡需要操作系统介入的地方都会触发

五、中断与异常

中断

是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径,如果没有中断，CPU就会一直执行这个程序.就不需要并发这个概念了

中断的两种类型

• 内中断
  与执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
  也称：异常，例外
  类型：陷阱，陷入，故障，终止

    		举例:
    			应用想请求操作系统内核的服务,会执行一条特殊的指令--陷入指令（并不是特权指令），此指令会触发一个内部中断信号
  

• 外中断
  与执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
  也称：中断

    		举例:
    			时钟中断
    				由时钟部件发来的中断信号
    				时钟部件每隔一段时间就会给CPU发一次
    			I/O中断
    				由输入/输出设备发来的中断信号
    					当输入输出任务完成时，向CPU发
    	    	CPU的设定
    			每一条指令执行结束时，CPU都会例行检测是否有外中断信号
  

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理
大概流程

 1. 当CPU检测到中断信号
 2. 中断信号分类
					内中断：CPU在执行指令时会检测是否有异常
					外中断：每个指令周期末尾，CPU会检查是否有中断信号需要处理

 3. 根据中断信号类型去查询“中断向量表”,	找到相应的中断处理程序

六、系统调用

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和一些程序接口。其中，程序接口是由一组系统调用组成

系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

系统调用和库函数的区别

系统调用比库函数更加底层，且有些库函数不涉及系统调用

按照功能分类

设备管理，文件管理，进程控制，进程通信，内存管理，记忆：凡是与共享资源有关的操作，需保证系统的稳定性和安全性

系统调用的过程

	1.传递系统调用参数
	2.执行陷入指令(用户态)，又叫：trap指令，访管指令
	3.执行相应的内请求核程序处理调用（核心态）
	4.返回

• 注意点
  陷入指令是在用户态执行的，执行后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
  发出系统调用请求是在用户态，对系统调用的相应处理在核心态下进行

七、操作系统的体系结构

• 内核是操作系统最根本，最核心的部分，实现操作系统的那些内核功能的那些程序就是内核程序

- 必须放在内核中的模块
		时钟管理：实现计时功能
		中断处理：负责实现中断机制
		原语：是一种特殊的程序，处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分，此程序运行具有原子性，只能一气呵成，运行时间较短，调用频繁。

- 不直接涉及硬件的部分：进程，储存器，设备管理等
  所以有些操作系统不将此部分放入内核

• 由此分为两种内核

大内核

大内核：以上全部包括
			优点：高性能
			缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核

微内核：不纳入一些不涉及硬件的部分
		优点：方便维护
		缺点：性能较低

• 关于两者的CPU改变状态
  改变状态是有成本的，要消耗不少时间，频繁的变态会降低系统性能。相比较而言，微内核较为频繁。