第一章:操作系统概述
文章目录
- 第一章:操作系统概述
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- 1.1 操作系统的概念、功能、和目标
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- 1.1.1 操作系统的概念（定义）
- 1.1.2 操作系统的功能和目标
- 1.1.3 本小节总结
- 1.2 操作系统的特征
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- 1.2.1 并发
- 1.2.2 共享
- 1.2.3 虚拟
- 1.2.4 异步
- 1.2.5 本小节总结
- 1.3 操作系统的发展与分类
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- 1.3.1 手工操作阶段
- 1.3.2 批处理阶段
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- 1、单道批处理系统
- 2、多道批处理系统
- 3、分时操作系统
- 4、实时操作系统
- 5、其他操作系统
- 1.3.3 本小节总结
- 1.4 操作系统的运行机制与体系结构
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- 1.4.1 俩种指令、俩种处理器状态、俩种程序
- 1.4.2 操作系统的内核
- 1.4.3 本小节总结
- 1.5 中断和异常
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- 1.5.1 中断机制的诞生
- 1.5.2 中断的分类
- 1.5.3 外中断的处理过程
- 1.5.4 本小节总结
- 1.6 系统调用
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- 1.6.1 什么是系统调用，有何作用
- 1.6.2 系统调用与库函数的区别
- 1.6.3 系统调用背后的过程
- 1.6.4 本小节总结
第一章:操作系统概述
1.1 操作系统的概念、功能、和目标
小节知识总览：
1.1.1 操作系统的概念（定义）
**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，合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，是计算机系统中最基本的系统软件。
最直观的例子：打开任务管理器 ，可以看到操作系统对软件、硬件的管理
1.1.2 操作系统的功能和目标
针对以下三个问题，对操作系统的功能进行讲解
补充知识：进程是一个程序的执行过程，执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理
① 操作系统作为系统资源的管理者，需要提供的功能:
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文件管理：每一个应用程序，都会有一个对应的文件夹保存到计算机中，这就是文件管理。
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存储器管理： 点击 exe 可执行文件后，需要将该程序相关的内容放到内存中，这就是存储器管理。
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处理机(CPU)管理： 放到内存中之后，等待CPU分配资源，执行程序。这就是处理机管理
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设备管理：在执行程序的过程中，可能会用到一些设备，比如：摄像头，麦克风，需要将这些设备分配给进程，这就是设备管理。
② 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要提供的功能：
提供接口：
- 命令接口
- 程序接口
- GUI 图形化界面接口
命令接口、程序接口比较重要，GUI了解即可。
联机命令接口【交互式命令接口】: 特点就是用户可以和操作系统进行简单的交互，执行单个命令
例子：
脱机命令接口【批处理命令接口】：批量执行命令
例子：
程序接口：如C:\Windows\System32(user32.d1l程序员在程序中调用user32.dll（该调用过即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序尚接使用。
GUI:图形用户界面(Graphical User Interface )
用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。
例子:在 Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。
总结
③ 操作系统作为最接近硬件的层次
需要提供的功能和日标:实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
举例说明:
硬件（CPU、内存、显卡）：就好比 锤子，木头，钉子…
操作系统：好比一个工匠
操作系统对硬件的扩展，就好比一个工匠将以上的原材料组织成一个成品，比如：房子，桌子，帆船…我们只需要使用成品，无需关心这些成品是如何组装起来的。
1.1.3 本小节总结
1.2 操作系统的特征
本小节知识总览：
1.2.1 并发
并发:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上交替发生的。
常考易混概念――并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
并发与并行的区别：
- 并发: 指的是多个事情，在同一时间段内同时发生了。
- 并行: 指的是多个事情，在同一时间点上同时发生了。
假设我们的计算机是单CPU的话，当我们同时在听歌、打游戏、聊天时，在我们看来这些操作可能是同时发生的，但对于操作系统而言，其实是通过轮询CPU时间片的方式来交替执行的，这就是并发
但如果是多CPU的话，以上的这些操作，就是真正意义上的同时发生，并不互相影响，每个CPU执行自己的进程。这就是并行。
1.2.2 共享
共享与并发的关系【相互依赖】：
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
1.2.3 虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者)是用户感受到的。
例子一：
例子二：
总结
1.2.4 异步
异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，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。
1.2.5 本小节总结
1.3 操作系统的发展与分类
本小节知识概览
1.3.1 手工操作阶段
程序员手动输入二进制命令，交给处理器处理，由处理器打印出结果
1.3.2 批处理阶段
1、单道批处理系统
2、多道批处理系统
问题：为何多道批处理系统能使资源利用大幅度提升？
3、分时操作系统
4、实时操作系统
5、其他操作系统
1.3.3 本小节总结
1.4 操作系统的运行机制与体系结构
本小节知识概览
预备知识：什么是指令？
指令就是计算机能够识别、执行的最基本的命令
而我们平常所说的用 C、Java、Js这些高级语言写的代码，计算机并不能识别。需要将这些代码转换为计算机能够识别的机器指令。
1.4.1 俩种指令、俩种处理器状态、俩种程序
新的问题:
有的指令“人畜无害”。比如:加、减、乘、除这些普通的运算指令。
有的指令有很高的权限。比如:内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。
通常会将指令分为俩类：
问题：在 CPU 执行指令前会判断是特权指令还是非特权指令，那么CPU是如何判断的？
通过处理器状态来决定执行的指令类型
某些程序需要使用不同的指令，对程序也分为俩种类型：
总结
1.4.2 操作系统的内核
我们安装完Windows操作系统后，会发现操作系统提供了多种多样的功能，比如“记事本”、“任务管理器”。然而，这些功能并不是必不可少的。即使没有“任务管理器”，我们仍然可以使用计算机。
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序
不同操作系统，对内核划分范围是不一样的，因此引出了俩种操作系统的体系结构：大内核、微内核
1.4.3 本小节总结
1.5 中断和异常
本小节知识概览
1.5.1 中断机制的诞生
早期的计算机没有中断机制，也不需要，程序都是串行执行的。
为了提高系统资源利用率，引入了操作系统，多个进程之间并发执行。也就引出了中断机制。
操作系统处理中断的大概流程：
1、假设多个任务同时交给CPU 处理，在执行任务一时 CPU 可能会 收到中断信号，会由用户态切换到核心态，由操作系统对中断信号进行处理。
2、操作系统处理任务一的中断信号后，认为任务一的时间片已用完，也就是任务一已经执行完，然后由 核心态 切换到 用户态，将CPU的使用权交由用户进程，并开始执行任务二
3、在 任务二 执行过程中，可能会发出系统调用这种内中断信号，来请求输出。
由于普通的应用程序无法使用特权指令，只能通过系统调用这种手段主动请求操作系统介入 来帮忙完成 输出。因此需要由用户态转换为核心态。
3、用户态切换到核心态之后，操作系统负责对内中断信号处理，按照任务二 的 请求开始工作【输出】。
4、 任务二 在进行 IO 输出时，会暂停运行，切换到用户态，换成 任务三运行。而任务二的 IO 输出会和任务三并行工作，当 IO 操作完成，设备会向CPU发出中断信号。
5、CPU 接收到 中断信号，切换到核心态，由操作系统介入处理中断信号。任务二 继续执行，并切换到用户态。
对于以上流程的总结：
1.当中断发生时，CPU立即进入核心态
2．当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3.对于不同的中断信号，会进行不同的处理
发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。
1.5.2 中断的分类
另一种分类方式：
不管如何分类，区分内中断和外中断的关键就是 信号的来源。
1.5.3 外中断的处理过程
Step 1:执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
Step 2:如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各科通用寄存器)
Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
step 4:恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行
其中处理中断需要切换到核心态，恢复进程的执行会切换到用户态
1.5.4 本小节总结
1.6 系统调用
本小节知识概览：
1.6.1 什么是系统调用，有何作用
知识点回顾
定义
“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员)使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出鬃统调用请求来获得操作系统的服务。
问题：操作系统为什么要提供 ‘系统调用’ 功能？
总结
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、IO操作、文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
1.6.2 系统调用与库函数的区别
操作系统为上层的应用程序提供了一个系统调用接口，如果是汇编语言是可以直接进行系统调用的，但是向我们如今使用的高级语言【C、Java、C++】 是不能直接进行系统调用，而是利用封装好的库函数来间接调用。
1.6.3 系统调用背后的过程
假设使用代码 write 命令向文件中写入字符串，编译器会先将代码编译成对应的汇编语言指令…
传递系统调用参数→执行陷入指令（用户态）→执行系统调用相应服务程序（核心态）→返回用户程序
注意：
1.陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3.陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令
系统调用号：根据传入的 x 指明操作系统需要进行的操作。
exit 退出
fork 创建子进程
read 读
write 写
1.6.4 本小节总结
