第一章 操作系统
2023/6/14
第一章 计算机系统概述
| 提供的功能 | 处理器管理 | |
|---|---|---|
| 存储器管理 | ||
| 作为系统资源的管理者 | 文件管理 | |
| 目标安全高效 | 设备管理 | |
| 特征 | 并发 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 目标和功能 | 共享 | 最基本 | |||
| 概论 | 虚拟 | ||||
| 异步 | 计算机系统资源的管理者 | 命令接口 | |||
| 目标和功能 | 用户与计算机系统之间的接口 | 程序接口 | |||
| 扩充机器 | CUI | ||||
| 发展 | 批处理操作系统 | 分时操作系统 | 实时操作系统 | 网络和分布式操作系统 | |
| 运行机制 | 中断和异常 | ||||
| 体系结构 | 系统调用 | 大内核 | |||
| 体系结构 | 微内核 |
1.1操作系统的基本概念
操作系统（Operating System,OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织，调度计算机的工具与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。（ctrl+alt+Del）快捷键
1.2操作系统的特征
操作系统是一种系统软件，但与其他系统软件和应用软件有很大的不同，它有自己的特殊性即基本特征。操作系统的基本特征包括并发，共享，虚拟和异步。这些概念对理解和掌握操作系统的核心至关重要，将一直贯穿于各个章节中。
1.并发（Concurrence）
并发是指两个或多个事件在同一事件间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中，引入进程的目的是使程序能并发执行。
微观上交替发生，宏观上同时发生。
注意同一事件间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别。在多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而在每个时刻，单处理机环境下实际仅能有一道程序执行，因此微观上这些程序仍是分时交替执行的。操作系统的并发性是通过分时得以实现的。
操作系统就是伴随着”多道程序技术“而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的
这两个动作就是并行执行的。
并发：指两个或多个事件在同一时刻同时发生 并行：同一时刻同时惊醒 4核cpu
2。共享（Sharing）
资源共享即供词昂，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。
共享可分为以下两种资源共享方式。
（1）互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机，磁带机，虽然可供多个进程使用，但为使得所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
（2）同时访问方式
系统中还有另一类资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程”同时“访问。这里所说的”同时“通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即”分时共享“的。
互斥共享要求一种资源在一段时间内（哪怕是一段很小的时间）只能满足一个请求，否则就会出现严重的问题，而同时访问共享通常要求一个请求分几个时间片段间隔地完成，其效果于连续完成的效果相同。
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。
并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件：1.资源你共享是以程序的并发为条件的，托系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题：2.若系统不存在对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
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。
3.虚拟（Virtual）
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实的，即实际存在的；后者是虚的，是用户感觉上的食物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。
操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器，虚拟内存和虚拟外部设备等。
虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。
并发：并行。 没有并发性，就谈不上虚拟性。
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，称为虚拟处理器。
可以采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。当然，这时用户所感受到的内存容量是虚的。我们把用户感觉到（但实际不存在）的存储器称为虚拟存储器。
没有并发性，就谈不上虚拟性。
操作系统的虚拟技术可归纳为：时分服用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器。
4.异步（Asynchronism） 只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
1.重要考点： 理解并发和并行的区别 并发和共享互为存在条件
1.1.3 操作系统的目标和功能
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步。因此并发和共享是操作系统的两种最基本的特征。
1.操作系统作为计算机系统资源的管理者
（1）处理机管理
在多道程序环境下，处理及的分配和运行都以进程（以线程）为基本单位，因而对处理及管理可归结为对进程的管理。并发是指在计算机内同时运行多个进程，因此进程何时创建，何时撤销，如何管理，如何避免冲突，合理共享就是进程管理的最主要的人物。进程管理的主要功能包括进程控制，进程同步，进程通信，思所除恶里，处理机调度等。
（2）存储器管理
存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配于回收，地址映射，内存保护与共享和内存扩充等功能。
（3）文件管理
计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。文件管理包括文件储存空间的管理，目录管理及文件读写管理和保护等。
（4）设备管理
设备管理的主要文件是完成用户的I/O的请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓存管理，设备分配，设备处理和虚拟设备等功能。
这些工作都由”工人“负责，”雇主“无须关注。
2.操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
为了让用户方便，快捷，可靠地操纵计算机硬件并运行自己的程序，操作系统还提供了用户接口。操作系统提供的接口主要分为两类；一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制制造业的执行；另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。
（1）命令接口： 允许用户直接使用
使用命令接口进行作业控制的主要方式有两种，即联机控制方式和脱机控制方式。按作业控制方式的不同，可将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。
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。
脱机命令接口又称批处理命令接口
（2）程序接口：允许用户通过程序间接使用。
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，如使用各种外部设备，申请分配和回收内存及其他各种要求。
当前最为流行的是图形用户界面（GUI），即图形接口。GUI最终是通过调用程序接口实现的。
用户通过鼠标和键盘在图形界面上单击或使用快捷键，就能很方便地使用操作系统。
CUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口
3.操作系统用作扩充机器
没有任何软件支持的计算机称为逻辑，它仅构成计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层如那件改造的计算机。
裸机在最里层，其外面是操作系统。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，将逻辑改造称功能更强，使用更方便的机器；因此，我们通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。
易懵概念：
系统调用=系统调用命令=广义指令