【王道考研】操作系统 笔记 第一章

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【王道考研】操作系统笔记 第一章_才疏学浅743的博客-CSDN博客

【王道考研】操作系统 笔记 第二章上 进程调度_才疏学浅743的博客-CSDN博客

1.操作系统的概念与功能

OS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，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。

下面这个图很好的展示了，定义与功能的联系

OS的功能

①操作系统是系统资源的管理者

具体功能如下

1. 1. 文件管理——找到文件位置

   2. 存储器管理——执行程序放入内存，或读写数据

   3. 处理机管理——执行内存中的程序

   4. 设备管理——调用I/O设备等

以QQ聊天为例：

何为处理机？

• • 就是实现功能的物理硬件综合体。或理解为CPU

处理机包括 中央处理器 ， 主存储器 ，输入-输出接口，加接 外围设备 就构成完整的计算机系统。处理机是处理计算机系统中 存储程序 和数据，并按照程序规定的步骤执行指令的部件。程序是描述处理机完成某项任务的指令序列。指令则是处理机能直接解释、执行的信息单位。

随着微电子技术的进步和计算机系统结构的发展，已能用 大规模集成电路 构成不同结构的和适应不同用途的处理机，如阵列处理机、向量处理机、数组处理机、数据库处理机、输入－输出处理机和将整个处理机制作在几个硅片上的微处理器等。

②向上层提供方便易用的服务

1. 命令接口:允许用户直接使用

   • 联机命令接口=交互式命令接口：用户说一句，系统跟着做一句

   • 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

2. 程序接口:允许用户通过程序代码间接使用

   • 系统调用=广义指令 常用库函数调用

3. GUI 图形用户界面(Graphical User Interface):现代操作系统中最流行的图形用户接口

为上述的功能分别举例：

1. 联机命令接口

   • 比如cmd，命令行窗口方式的操作。输入一行命令，执行一次

2. 脱机命令接口

   • 比如 .bat文件，执行之后一次执行完整个文件内的命令。类似于matlab脚本和命令行的区别。

3. 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。

   • 比如，VBS可以用代码创建一个Windows的警告弹窗。但是不用代码，也就是用图形化操作就无法实现。或者C语言的库函数printf，使用了 内核程序的write()操作

4. GUI

   • 就是图形化界面。点击，拖拽等等。

③是最接近硬件的一层软件

只有一个功能

1. 需要实现对硬件机器的拓展

   • 把最底层的功能进行了封装

   • 比如:硬件:锤子、锯子、木头、钉子....操作系统:优秀的工匠。现在用户可以直接让工匠造船，而不是用原料造船。

裸机 VS 虚拟机（扩充机器）

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和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

通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

2.操作系统的目标

• 方便性

• 在硬件上运行程序，用机器语言书写极其困难，OS能将高级语言翻译成机器语言。

• 有效性

• 提高操作效率、系统吞吐量。

• 可扩充性

• 为了适应硬件体系结构及应用的发展。

• 开放性

• 为了更好的推广，方便使用制定行业标准。

3.操作系统的特征 ⭐

基本特征有如下四个

1. 1. 并发

   2. 共享

   3. 虚拟

   4. 异步

并发

并发与并行的区别

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

• • 也就是“虚假”的同时发生，CPU同时运行两个程序，其实是短时间内分别运行

  • 操作系统的并发是通过分时实现的

并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生

• • 是系统同时执行或操作

  • 硬件支持：多流水线或者多处理机

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。

• • 微观上轮流执行，宏观上看上去同时在执行。

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

举例：

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。

共享的方式有以下两种

1. 1. 互斥共享方式

   2. 同时共享方式

举例来说明：

1. 互斥共享方式

   • 系统中的某些资源，虽然可以允许多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源

   • 比如，QQ电话和微信电话不能同时使用摄像头。但是他们共享使用摄像头的权利。

   • 摄像头这种资源称作：临界资源或者独占资源

2. 同时共享方式

   • 系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

   • 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）

   • 比如：QQ和微信可以同时使用内存，在内存里面写数据。

   • 但是微观上也可能是真正的“同时”，比如：游戏和音乐同时播放声音

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。

虚拟技术有两种

1. 1. 空分复用——虚拟存储器技术扩大内存

   2. 时分复用——单核CPU同时运行多个进程程序

具体例子：

1. 虚拟处理器：采用多道程序并发的方式，让每个终端用户感觉到有多个处理器 时分复用技术

2. 虚拟存储器：将物理存储变为虚拟存储器，逻辑上扩充存储器用 空分复用技术

3. 也可以将一台IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的IO设备

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。

理解

走走停停的意思就是，比如Java Socket 通信中，SocketServer监听事件，就是一个异步执行的函数。因为Socket类只会存在一个，所以 0.01s 0.02s客户端A和B都发出了请求，但是0.01s的A先接受到了，所以服务器先响应A的请求。这就是结果的不可预知性

或者如下例子中，如果老渣预约的时间变了，给谁心就不一定了（不可预知性）。另一个人就会陷入阻塞状态，直到别人归还老渣的心

四大特征之间的关系

1. 1. 并发在操作系统诞生之初就被设计了，用来解决单核CPU运行多个进程。

   2. 共享与并发互为存在意义

   3. 没有并发，虚拟就没有意义。

   4. 没有并发，就无法产生异步

并发和共享的关系

• • 二者互为存在条件

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。

经典的证明方法，

• • 如果不存在并发，则同时只能运行一个程序，就不存在多个程序同时使用一个资源（共享）

  • 如果不存在共享，则多个并发的程序不能同时访问一个资源，即使并发了也无法存取数据，很鸡肋。

并发和虚拟的关系

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。

如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，不需要CPU一次运行多个进程，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性

并发和异步的关系

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

4.操作系统的发展与分类

1. 手工操作阶段——通过打孔纸片输入代码

2. 单道批处理系统——打孔纸片先输入给磁带，磁带再更快速的输入到计算机

   • 有操作系统的雏形

3. 多道批处理系统 ——没有人机交互的PC

   • 操作系统正式诞生

4. 分时操作系统——所有人平等时间使用电脑

5. 实时操作系统——优先处理紧急事务

   • 分为①硬实时操作系统——不允许规定时间内没完成任务

   • ②软实时操作系统——允许偶尔没在规定时间内完成任务

• • 绿框常考

手工操作阶段

主要缺点：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。

外围机：功能1.可以完成把程序提前存入纸带里面，2.并控制纸带输入。

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点：只有脱机命令接口=批处理命令接口，没有联机命令接口=交互式命令接口。

内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。

批处理阶段——多道批处理系统

主要优点：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。

主要缺点：没有GUI，

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

分时操作系统

• • 计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

实时操作系统

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。

分为两种实施系统

1. 硬实时系统——必须在绝对严格的规定时间内完成处理

   • 如:导弹控制系统、自动驾驶系统

2. 软实时系统——能接受偶尔违反时间规定

   • 如:12306火车订票系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

主要特点：是及时性和可靠性

其他几种操作系统

网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，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、MacOS，方便个人使用。

5.操作系统的运行机制⭐

两种指令

1. 特权指令：操作系统允许使用的中断、删除等危险操作

   • 如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用

2. 非特权指令：用户、应用程序被允许使用的简单的加减乘除等操作

两种程序

1. 内核程序：需要调用特权指令的程序

   • 也就是实现操作系统的程序

   • 很多内核程序组成了“操作系统内核简称"内核"（Kernel）

2. 应用程序：不需要特权指令的程序

两种处理器状态

1. 核心态（内核态、管态）：CPU只有在核心态才能使用特权指令，才能运行内核程序。

2. 用户态（目态）：CPU不能使用特权指令，不能运行内核程序

内核态、用户态的切换

状态的切换称为变态

内核态to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to内核态：

• 1.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

• 2.可以使用陷入指令Trap，触发“内中断”

内核分类⭐、操作系统体系结构、计算机系统的层次结构

总计一下：

1. 1. 操作系统体系结构包括 内核 和 非内核 部分

   2. 内核有两大部分功能，其中黄色部分是最基本的功能。橙色的是有些OS没有划分进去的内容。

   3. 内核的分类

      • 只包含必不可少的时钟管理、中断处理、原语的内核是微内核

      • 还包含任务管理器、进程管理、设备管理的内核是大内核

典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统： Linux、UNIX

典型的 微内核 操作系统： Windows NT

从下图可以直观看出来，只用微内核转换状态（变态）的次数变少了

内核的结构

• 时钟管理：时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。

• 中断机制：中断机制是操作系统各项操作的基础。如键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等。中断机制负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。

• 原语

  ：

  • 原语是最接近硬件的部分

  • 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（主要从系统安全性和便于管理考虑）

6.中断与异常

中断的功能

CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

“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

状态转换方式：

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

• • 分类依据是CPU中断信号的来源

外中断 （正常运行）

举例：

1. 1. 外部设备请求：

      • 比如：I/O设备请求读入，scanf()读入键盘缓冲区的时候，程序会中断停止。

   2. 人工干预：

      • 比如：任务管理器强行关闭一个进程

内中断（也就是异常）

1. 陷阱、陷入(trap) 也叫自愿中断

   • 用户态下，应用程序调用系统程序

2. 故障(fault)

   • 比如，外部设备打印机没有纸了

3. 终止(abort)

   • 比如，整数除以0

何为陷入指令 trap？

陷入指令是指用户程序所依靠的指令，用于发起系统调用，请求操作系统提供服务。

陷入指令有其中一点特殊在于，其只能在用户态下执行，而不可以在核心态下执行。

用户程序执行陷入指令，相当于把CPU的使用权主动交给了操作系统内核程序（CPU状态会从用户态切换到核心态），之后操作系统内核程序再对系统调用请求做出相应的处理。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（即CPU状态从核心态切换到用户态）。

7.系统调用

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，应用程序可以通过"系统调用"来请求获得操作系统内核的服务

系统调用存在的意义

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、lO操作、文件管理等），都必须通过操作系统代为完成。防止用户进行非法操作，这样可以保证系统的稳定性和安全性。

系统调用的功能

凡是与资源有关的操作、会直接影响到其他进程的操作,一定需要操作系统介入,即需要通过系统调用来实现

系统调用与库函数的区别

库函数是高级语言中提供的与系统调用对应的函数（也有些库函数与系统调用无关），目的是隐藏“访管”指令的细节，使系统调用更为方便、抽象。库函数属于用户程序而非系统调用，是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户态。

而系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在核心态，而许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常要比系统调用的高。因为使用系统调用时，需要上下文的切换及状态的转换（用户态->核心态）

系统调用的过程

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