操作系统笔记 --第一章 操作系统引论
课程：王道计算机考研 操作系统 —— 课程链接
1.1.1 操作系统的概念、功能和目标
1. 操作系统的概念
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，并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；它是计算机系统中最基本的系统软件
①操作系统是系统资源的管理者
②向上层提供方便易用的服务
③是最接近硬件的一层软件
直观的例子：打开 Windows 操作系统的“任务管理器”（快捷键：Ctrl+Alt+Del）
2. 操作系统的功能
① 作为系统资源的管理者
管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，包括：
处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
进程：进程是一个程序的执行过程，执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理
一次用QQ和朋友视频聊天的过程：
Step 1：在各个文件夹中找到 QQ 程序安装的位置（如 D:/Tencent/QQ/Bin）---- 文件管理功能
Step 2：双击打开 QQ.exe ---- 存储器管理（内存管理）：把程序相关数据存入内存
Step 3：QQ 程序正常运行 ---- 处理机（CPU）管理：给进程分配CPU资源
Step 4：开始和朋友视频聊天，使用摄像头、麦克风 ---- 设备管理：将设备使用权分配给进程，使用完之后将设备使用权回收
② 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
提供给用户和其他软件方便的接口和环境
操作系统提供的接口分为三类：命令接口、程序接口、GUI
- 命令接口：用户可以直接使用的，利用这些操作命令来组织和控制作业的执行
- 程序接口：用户通过程序间接使用的，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务
- GUI：图形用户接口
- 命令接口
命令接口分为两类：联机命令接口和脱机命令接口，用户可以直接调用
-
联机命令接口：又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，由一组键盘操作命令组成。用户输入一条指令，操作系统就执行一条指令 -
例：cmd
-
脱机命令接口：又称批处理接口，使用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。用户输入一堆指令，操作系统运行一堆指令。在操作系统运行这些命令时用户不可干预 -
例：batch
- 程序接口
程序接口：由一组系统调用（也称广义指令）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，只能通过用户程序间接调用
如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其它各种要求
程序接口=系统调用=系统调用命令=广义指令
- GUI：图形操作界面
③作为最接近用户的层次
- 没有任何软件支持的计算机称为
裸机 - 覆盖了软件的机器称为
扩充机器或虚拟机 - 封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可
1.1.2 操作系统的特征
并发
区别两个概念：
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，但微观上是交替发生的。
并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。- 注意（重要考点）：
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行，因此操作系统会协调多个程序使他们交替进行（这些程序在宏观上是同时发生的，在微观上是交替进行的）
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行
共享
共享，即资源共享，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。
注意：所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
举个例子：
互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，
说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。
- 并发和共享的关系：
- 并发是同时存在多个运行着的程序，共享是指系统中的资源被多个并发执行的程序共同使用
—— 并发是进程的并发，共享是资源的共享 - 并发性和共享性互为存在条件
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。
虚拟技术可以分为 时分复用技术 和 空分复用技术
异步
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。
如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
1.1.3 操作系统的发展与分类
第一阶段：无操作系统（手工操作）阶段
手工操作方式：用户独占全机，CPU等待人工操作，人机速度矛盾 。
第二阶段：批处理阶段
单道批处理系统
- 脱机输入输出方式：事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在外围机的控制下，把纸带上的数据输入到磁带上（类似于磁盘）。当CPU需要时，从磁带将其高速地调入内存。反之类同。优点：减少了CPU的空闲时间，提高了I/O速度。
- 单道批处理系统：首先监督程序将磁带第一个作业装入内存，运行控制权在该作业，该作业处理完成时，控制权交回到监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。系统自动对作业成批处理。（内存始终只保持一道作业—单道批处理）。
缺点：内存浪费，不能充分利用系统资源。 - 注意：“单道”指的是在内存中只有一个程序运行
多道批处理系统 - 多道批处理系统：用户所提交的作业先存放在外存，排成一个“后备队列”，再由作业调度程序按一定的算法从队列选择若干作业调入内存，使他们共享CPU和系统中的各种资源
- 优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
- 缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）
- 批处理系统的产生标志着操作系统的正式诞生
- 并发性和共享性是操作系统诞生之初就拥有的特性，所以说它们是操作系统最基本的两个特性
第三阶段：分时操作系统
分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。因此，作业直接进入内存，采用轮转运行方式，系统配置一个多路卡（实现分时多路复用），及时接收用户终端命令（数据）。
第四阶段：实时操作系统
实时系统：系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务的协调一致的运行。
1.1.4 操作系统运行机制和体系结构
运行机制：两种指令、两种处理器状态、两种程序
1. 两种指令：特权指令、非特权指令
指令：CPU能识别、执行的最基本的命令
CPU通过处理器状态判断是否可以执行特权指令
2. 两种处理机状态
用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
核心态（管态）：此时CPU可以执行特权指令和非特权指令
3. 两种程序
内核程序：可以执行特权指令和非特权指令，运行在核心态
应用程序：只能执行非特权指令，运行在用户态
操作系统内核
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。
操作系统的体系结构：大内核和微内核
1.1.5 中断和异常
中断机制的诞生
早期的计算机，各程序只能串行执行，系统资源利用率低。为解决上述问题，人们发明了操作系统，引入中断机制，实现了多道程序并发运行（多道批处理阶段）
本质：只要发生中断，就意味着操作系统介入了程序运行，开展管理工作
中断的概念和作用
- 当中断发生时，CPU立即进入核心态
- 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
- 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。
- ⭐ “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”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序 - 核心态和用户态之间切换的实现
内核态—>用户态：执行一条特权指令——修改 PSW（程序状态字）的标志位 为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
用户态—>内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺
回CPU的使用权
中断的分类：内中断和外中断
狭义的中断指外中断
区分：信号来源是CPU外部还是CPU内部
外中断的处理过程
1.1.6 系统调用
系统调用的概念及作用
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，应用程序可以通过系统调用来请求获得 操作系统内核 的服务
为了避免各个进程随意的使用系统资源因而造成混乱，操作系统规定所有用户进程想要使用系统资源时都只能通过 系统调用 来向操作系统发出请求，最后操作系统会对各个请求进行协调管理
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、I/O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。
系统调用和库函数的区别
系统调用相关处理在核心态进行
系统调用是比库函数更底层的接口
系统调用的过程
○特权指令
从指令系统（指令集）角度定义，在指令系统中拥有用于管理硬件和整个系统安全的指令，让程序随意使用具有极高危险性。不得在用户态（目态）执行，只能在核心态（管态）执行，用户态程序如果运行特权指令将发生异常，并切换到管态由操作系统接管cpu。所以用户程序不得使用特权指令，需要执行特权指令需要使用防管指令，进入核心态。
○访管指令
同样从指令集的角度定义，或者说从硬件角度（cpu状态）。访管指令，是用户程序自愿进管的指令（进管同时也意味着程序放弃cpu的控制权），该指令本身属于非特权指令，可在用户态执行，执行后进入核心态。核心态是通过cpu置相应标志表明当前处于核心态。cpu进入核心态后可以执行指令集中的所有指令（包括特权指令和非特权指令，但不执行访管指令）。
○陷入指令
原则上可看作访管指令，但是从操作系统的角度定义的。访管强调的是cpu从用户态切换到了核心态，可以执行指令集中的所有指令。而陷入（自陷、陷阱）指令强调程序从用户程序切换到了操作系统，陷入指令即汇编中的中断指令，执行陷入指令程序中断，跳转到中断服务程序（操作系统的代码）。所有访管强调的是可以执行特权指令，陷入强调的是进程放弃cpu，交还给操作系统。其实核心态和操作系统是不可分割的：道理很显然，进入核心态（管态），必然需要“跳转”到操作系统，不然区分用户态和核心态就没有了意义，如果程序执行完访管指令后，只是进入了管态，之后仍然执行自身的代码，那用户程序将可以为所欲为，显然不能允许。另一方面，如果cpu跳转到了操作系统，没有进入管态，那操作系统也无法执行特权指令，管理整个机器，显然也不行（当然也存在操作系统一部分运行在用户态，一部分（即内核）运行在管态，此时操作系统获取cpu控制权后不一定是处于核心态）。所有管态就是运行操作系统，访管指令本质上就是一条陷入（中断）指令。
○广义指令（系统调用）
系统调用，从操作系统的角度定义的。指用户程序需要借助操作系统来完成的特定操作，通过陷入指令可以进行系统调用。系统调用是一段代码而不是一条代码，在高级语言层面可能是一条，比如c语言的系统调用write()，在汇编层面这条语句包括，初始化相关参数和寄存器，执行陷入（中断）指令，跳转到中断服务程序，中断返回。之所以需要系统调用是因为用户程序不能执行特权指令，所以当需要完成特权指令才能做的特定操作，必须通过系统调用由操作系统完成。但系统调用一词并非强调程序不能使用特权指令，即不强调“需要”操作系统服务，仅仅强调“希望”让操作系统服务，表达的含义不是"不能"而是"不需要"，即目标操作用户程序不需要自己做，直接调用操作系统即可完成，进行系统调用时也并非一定为了执行特权指令，也可能相关操作过于复杂，或者用户程序自身难以实现（有权做但做起来麻烦），而操作系统刚好给出了相应的接口供直接使用。
○库函数
操作系统提供的函数，供用户程序直接调用，简化程序的编写。编程时调用库函数直接使用操作系统已经实现的功能即可。与系统调用有些相似，不过库函数调用可以在用户态执行(不需要执行特权指令时)，和普通的函数调用应该并没有什么区别。无需用户态切换到核心态，执行中断服务程序等一些操作。是对系统调用“不需要做”这一概念的推广，另外现在一般用户不直接使用系统调用，而是使用封装好的库函数，由库函数进行系统调用。库函数的意义在于，需要就拿去用，别再浪费时间了，直接用大佬已经实现的来搞。
作者：无法获取该昵称
https://www.bilibili.com/read/cv4393022/
陷入指令=访管指令=trap指令： 程序从应用程序(用户态/目态)切换到内核程序(核心态/管态)
陷入指令属于内中断的一种（详见1.1.5中断和异常）
系统调用的大致过程：
传递系统调用参数 →执行陷入指令（用户态）→执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）→返回应用程序
- 系统调用的操作有很多，不同的操作对应的处理函数也不同，操作系统是通过int指令的参数来分辨要运行哪个处理函数的，int指令的参数指明了系统调用号，此处int实际上是interrupt(内中断)的缩写
注意：
- 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，使CPU进入核心态
- 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
- 陷入指令是唯一一个只能在用户态下执行，而不能在核心态下执行的指令
