操作系统——什么是操作系统

操作系统的概念

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源、合理的组织和调度计算机的工作与资源分配、进而为用户和其它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。

操作系统的特征

并发和并行

• 并发：并发是指计算机系统中在同一时间间隔（宏观）内运行多个程序。而在同一时刻（微观），单处理机的环境下实际仅能有一道程序执行，因此并发执行实际是通过分时交替实现的。在操作系统中引入进程的目的是使程序能并发的执行。
• 并行：并行是指计算机系统在同一时刻运行多个程序，并行性需要有相关硬件的支持。

共享

共享是指计算机中的资源可供内存中多个并发执行的进行共同使用。共享可分为以下两种方式：

• 互斥共享模式：当进程访问某个资源时，必须先提出请求，若此时该资源空闲，那么操作系统便将其分配给该进程使用，此后有其它进程要访问该进程时就必须等待，仅当资源被使用完并被释放时才能被另一个进程访问。这种资源共享模式就称为互斥共享，这种在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源。
• 同时访问模式：某种资源允许在一段时间内被多个进程同时（类似于并发，通过分时实现）访问。这种访问模式就称为同时访问。

并发和共享互为同时存在的条件：

• 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题。
• 若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物，用于实现虚拟的技术称为虚拟技术，虚拟技术分为以下两种：

• 时分复用技术：如虚处理器技术，可以通过多道程序设计，采用让多道程序并发执行的方法，来分时复用一个处理器。虽然只有一个处理器，但每个程序都认为有一个专门的处理器为它服务。
• 空分复用技术：如虚存储器技术，可以将一台计算机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。

异步

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。只要程序运行的环境相同，操作系统就必须保证多次运行进程后都能获得相同的结果。

操作系统的功能

管理计算机系统的资源

• 进程管理：在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理和进程调度等。
• 内存管理：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利用率，主要功能包括内存分配与回收、地址映射、内存保护、内存共享以及内存扩充等。
• 文件管理：计算机中的信息都是以文件形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统，文件管理主要功能包括文件存储空间的管理、目录管理以及文件读写管理和保护等。
• I/O管理：设别管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要功能包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等。

作为用户和计算机硬件之间的接口

操作系统提供的接口主要分为两类，一类是命令接口，用户利用这些命令来组织和控制作业的执行；另一类是程序接口，程序员可以使用它们请求操作系统的服务。

• 命令接口：使用命令接口进行作业控制的方式有两种，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：又称为交互式命令接口，它由一组键盘操作命令组成。用户通过控制台或终端输入操作指令，用户每输入一条命令，控制权就转交给操作系统的命令解释程序，然后由命令解释程序解析并执行输入的命令，之后控制台返回控制台或终端，此时用户又可输入下一条指令。
  • 脱机命令接口：又称批处理指令接口，它由一组作业控制命令组成，脱机用户不能直接干预作业的执行，而应事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书，连同作业一起交给操作系统，系统调度到改作业时，由操作系统中的解释程序逐条解释执行作业说明书上的命令，从而间接的控制作业的执行。
• 程序接口：程序接口由一组系统调用组成，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服务。

操作系统的发展历程

操作系统的运行环境

CPU运行模式

在计算机系统中，CPU通常执行两种不同性质的程序，一种是操作系统内核程序，另一种是用户程序。内核程序是用户程序的管理者，因此内核程序可以执行一些特权指令。

• 特权指令：指不允许用户直接使用的指令。
• 非特权指令：指允许用户使用的命令，它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，主要是为了防止用户程序对系统造成破坏。

在具体的实现上，将CPU的运行模式实现为用户态和内核态，用户程序运行在用户态，操作系统内核运行在内核态。CPU变态的过程如下：

• 计算机开机时，计算机内核开始运行，CPU处于内核态。
• 内核态$\to$用户态：操作系统执行一条特权指令，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。
• 用户态$\to$内核态：由异常和中断引发，硬件自动完成变态过程。

异常和中断

异常和中断是CPU从用户态到内核态的唯一途径，当发生异常和中断时，运行在用户态的CPU会立即进入到内核态，这是通过硬件实现的。

当CPU在执行用户程序的第$i$条指令时检测到一个异常事件，或者在执行第$i$条指令后发现一个中断请求信号，则CPU打断当前用户程序，然后转到相应的异常或中断处理程序去执行。若异常或中断处理程序能够解决相应的问题，则在异常或中断处理程序的最后，CPU通过执行异常或中断返回指令，回到被打断的用户程序的第i条指令或第$i+1$条指令继续执行；若异常或中断处理程序发现是不可恢复的致命错误，则终止用户程序。通常情况下，对异常和中断的具体处理过程由操作系统完成。从CPU检测到异常或中断事件，到调出相应的处理程序，整个过程称为异常和中断的响应。CPU对异常和中断响应的过程可分为以下几个步骤：

• 关中断：在保存断点和程序状态期间，不能被新的中断打断，因此要禁止响应新的中断，即关中断。
• 保存断点和程序状态：为了能在异常和中断处理后正确返回到被中断的程序继续执行，必须将程序的断点和状态送到栈或特定寄存器中。
• 识别异常和中断：异常大多采用软件识别方式，中断可以采用软件识别方式或硬件识别方式。
  • 软件识别方式是指CPU设置一个异常状态寄存器，用于记录异常原因。操作系统使用一-个统一的异常或中断查询程序，按优先级顺序查询异常状态寄存器，以检测异常和中断类型，先查询到的先被处理，然后转到内核中相应的处理程序。
  • 硬件识别方式又称向量中断，异常或中断处理程序的首地址称为中断向量，所有中断向量都存放在中断向量表中。每个异常或中断都被指定一个中断类型号。在中断向量表中，类型号和中断向量一一对应，因而可以根据类型号快速找到对应的处理程序。

系统调用

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。相对于库函数而言，系统调用更为底层：

系统调用按功能大致可分为以下几类：

• 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。

系统调用必须使用某些特权指令才能完成，所以系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态。用户程序可以执行陷入（访管）指令（CPU状态会从用户态进入内核态）来发起系统调用，请求操作系统提供服务。处理完成后，操作系统内核程序又会把CPU的使用权还给用户程序（CPU状态会从核心态回到用户态）。

操作系统结构

操作系统结构可以从不同方向划分，但从操作系统的发展来看，从操作系统的内核架构划分的方式得到了长足的发展。

内核是指最基本最核心的部分，实现内核功能的程序就是内核程序，根据内核程序的不同可以将内核划分为宏内核和微内核：

其中原语是一些可以被调用的公用小程序，它们各自完成一个规定的动作，它们的特点如下：

• 处于操作系统的最底层，最接近硬件的部分。
• 原语的运行具有原子性。
• 运行的时间比较短，而且调用频繁。

定义原语的直接方法就是关闭中断，让其所有动作不可分割的完成后再打开中断。

操作系统的引导

操作系统是一种程序，程序以数据的形式存放在硬盘中，而硬盘通常分为多个区，一台计算机中又有多个或多种外部存储设备。操作系统引导是指计算机利用CPU运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统，一环扣一环地完成上述过程。常见操作系统的引导过程如下：

• ①激活CPU、硬件自检、加载带有操作系统的硬盘：激活的CPU读取ROM中的引导程序，将指令寄存器置为BIOS的第一条指令，即开始执行BIOS的指令。启动BIOS程序后，先进行硬件自检，检查硬件是否出现故障。如有故障，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止；如无故障，屏幕会显示CPU、内存、硬盘等信息。硬件自检后，BIOS开始读取启动顺序表（通过CMOS里保存的启动顺序，或者通过与用户交互的方式），把控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备，然后CPU将该存储设备引导扇区的内容加载到内存中。
• ②加载主引导记录MBR、扫描硬盘分区表并加载硬盘活动分区：硬盘以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘。如果发现一个存储设备不是可引导盘，就检查下一个存储设备。如无其他启动设备，就会死机。主引导记录MBR的作用是告诉CPU去硬盘的哪个主分区去找操作系统。MBR包含硬盘分区表，硬盘分区表以特定的标识符区分活动分区和非活动分区。主引导记录扫描硬盘分区表，进而识别含有操作系统的硬盘分区（活动分区）。找到硬盘活动分区后，开始加载硬盘活动分区，将控制权交给活动分区。
• ③加载分区引导记录PBR、加载启动管理器。读取活动分区的第一个扇区，这个扇区称为分区引导记录（PBR），其作用是寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序（启动管理器）。分区引导记录搜索活动分区中的启动管理器，加载启动管理器，启动管理器即完整的操作系统初始化程序。
• ④加载操作系统：执行启动管理器，加载操作系统。

虚拟机

虚拟机是一台逻辑计算机，是指使用虚拟化技术，将一台物理机虚拟化为多台虚拟机器，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。有以下两种虚拟化方法：

它们的区别如下：

容器

​传统的虚拟机技术通过在物理硬件上运行虚拟化层，将物理资源（如处理器、内存、存储等）虚拟化为多个独立的虚拟机。每个虚拟机都有自己的操作系统和应用程序，它们在各自的虚拟环境中运行，并与物理硬件和其他虚拟机隔离开来。然而，传统虚拟机的运行需要占用较高的资源，包括磁盘空间、内存和处理器性能。每个虚拟机都需要完整的操作系统和应用程序副本，这在资源利用和启动时间上存在一定的开销。容器技术则是在虚拟化领域的进一步演进，它采用了更轻量级的虚拟化方式。容器技术利用操作系统的容器化功能（如Linux容器），通过隔离进程的命名空间、文件系统和资源控制组等功能，实现了应用程序的隔离和运行环境的虚拟化。

容器和虚拟机的区别如下：