初识操作系统

一、冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。冯诺依曼是计算机之父。

冯诺依曼体系结构=>描述了一台计算机是如何构成的（99%的计算机都是冯诺依曼结构）=>硬件的特点会对软件开发造成直接影响。

而图灵是奠定了计算机工作原理的理论基础。

注意：
1.输入设备输入进去的内容都会保存在内存中。输出设备的输出内容都是从内存中提取的。
2.有些设备既是输入设备也是输出设备。如触摸屏、网卡。（网卡能将数据上传到网络，能从网络中下载数据到本地）

关于冯诺依曼，必须强调几点：
1.这里的存储器指的是内存
2.不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设（输入或输出设备）
3.外设（输入或输出设备）要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

二、操作系统(Operator System)

1.概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。笼统的理解，操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

操作系统是一个软件(搞管理的软件)，一方面是管理计算机的硬件设备，另一方面管理计算机的软件资源。一个完整的操作系统=内核+配套的应用程序。

内存和外村的对比：
1.内存的存储空间较小，外村的存储空间较大。
2.内存的访问速度较快(ns级别)，外村的访问速度较慢(us)，大概差了三四个数量级
3.内存的成本较高，外存的成本较低。
4.内存如果断电了，数据就丢失了，外村如果断电了，内存不丢失（持久化存储）

2.OS的设计

可以分为三部分：一部分为应用程序(软件)，一部分为操作系统内核负责的部分，一部分为硬件设备。

系统调用接口是操作系统内核对外提供的编程接口。每个硬件都有对应的驱动程序来驱动。

例如在屏幕中输出“hello world”，应用程序会写这样的代码：System.out.println(hello world);，本质上需要操作显示器这个硬件设备来完成。但是代码真正的执行步骤：println会进入库代码中->通过相关的系统调用进入到内核中执行代码->内核根据代码来调用显卡驱动程序->再由显卡驱动程序来具体操作内核->让内核代码来执行“让显示器输出”这样的动作。

操作系统的管理：
1.描述：描述每个硬件设备
2.组织：借助数据结构将硬件设备组织到一起

例如发奖学金：
1.校长得先知道每个同学的基本信息(姓名，班级，学号，成绩)=>描述数据，它相当于创建了一个Student类，类中包含一些需要的属性，再根据当前的数据创建一堆Student的实例
2.再在所有同学信息中进行筛选，选出若干个成绩最好的同学=>组织数据，它借助一定的数据结构，把这些Student类的实例放到一起，然后再按照一定的规则来筛选。

三、进程(Process)

1.概念

进程也可以称为任务(task)，它是操作系统中非常重要的软件资源。

把一个可执行程序跑起来，系统中就会创建一个对应的进程。
如果这个程序执行结束了，系统就会随之销毁对应的进程。
进程可以看作是一个程序执行的“过程”。

在任务管理器中可以看到每个进程：

2.时间片

操作系统（如Windows、Linux）的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个任务轮流执行。

任务执行的一小段时间叫做时间片，任务正在执行时的状态叫运行状态，任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务，被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于它的时间片的到来。

3.区分“程序/可执行文件”与“进程”

.exe文件就是一个可执行文件，它是一个静态的文件，如果不去动它，它就不会发生变化。

下面的就算一个进程，当双击exe文件时，操作系统就会加载这个可执行程序。加载的时候，把exe文件中的很多内容都加载到内存中了，分配一些资源，并开始执行这个可执行程序中包含的指令。这个过程就是一个进程。

进程也可以认为是操作系统进行资源分配的最小单位。

4.进程的管理

PID指的是进程id的标识符，例如：先双击qq，得到一个新的进程id p1，再关闭qq，进程id为p1的进程会消失，此时再双击qq，得到一个新的进程id p2，此时会发现p1!=p2。

进程的管理跟操作系统的管理类似：
1.描述：用一个类来描述
2.组织：用一定的数据结构组织进程

下面以Linux为例：
内核中使用一个 task_struct/PCB(进程控制块)结构体来描述进程(C语言)
每创建一个进程，就同时创建一个PCB这样的类的实例。

那么它是如何组织进程的呢？
答：使用双向链表把所有的PCB对象串到一起。

例如：
双击一个exe文件，创建一个进程的时候，本质上就是在内核中，先创建了一个PCB对象，然后把这个对象加入到链表中。
关闭一个程序，结束一个进程的时候，本质上就是在内核中，找到这个对应的PCB对象，然后从链表上删掉，并且释放该对象。
通过任务管理器查看到的所有的进程信息，本质上就是在遍历内核中的这个链表，依次读取对应PCB中的结点信息。

5.PCB中包含的信息

1.pid(进程id)：进程的身份标识

2.一组内存指针：指向该进程持有的一些重要数据在内存中的位置。
重要的数据包括：a)执行的指令都有啥 b)这些指令依赖的数据都是啥。
内存是操作系统给该进程分配资源的一部分。

3.状态：
R：就绪状态，正在CPU上执行的，或者即将执行
S：睡眠状态，这些进程没在CPU上执行，而是在等待执行
D：深度睡眠状态，进程在长时间的忙于IO操作，没精力理会CPU
X：退出状态，进程已经被销毁了

4.优先级
5.进程的记账信息
6.上下文

4，5，6都在下面介绍。

注意：3，4，5，6点都是为了实现进程调度。当然吗，如果资源非常充裕，那么就不需要调度，但是实际上是资源不太充裕，而需要资源的进程又非常多。那么进程调度就是为了让各种进程能够很好的在CPU上进行并发执行。

操作系统中实现进程调度的模块叫做“调度器”，实现具体的调度的时候有很多策略，这些策略都要依赖PCB中的对应的属性。

例如：一台机器的8核CPU当前的进程已经过百了，那么如何让这么多进程在8个CPU上很好地工作？就是靠进程调度来完成的，它是一个并发式执行的过程。

并发式执行：
注意：CPU在同一时刻只能执行一个程序的指令，不能执行多个。由于CPU执行指令的速度很快，虽然它实际上是先执行指令1，执行一会后执行指令2，以此类推。但是这个时间相对人来说是非常快的，人感知不到而已。

并发式与并行式：
并发式微观上来说是先执行一个再执行另一个…宏观上来说人感知不到那个时间，看似是同一时间执行的。并行式微观上来说是一起执行的，宏观上来说也是一起执行的。如并行就是两个CPU可以同时执行两个进程的指令。

优先级：哪个进程指令比较重要的就先执行哪个进程指令。

进程的记账信息：避免进程指令的执行重复，要雨露均沾。不能让某个进程一直霸占CPU。

上下文：保存了上次进程在CPU上执行的进度，以便下次进程上CPU的时候能够继续执行。

6.内核态和用户态

一般的操作系统（如Windows、Linux）对执行权限进行分级：用户态和内核态。

如上图所示，操作系统内核作为直接控制硬件设备的底层软件，权限最高，称为内核态，或核心态。用户程序的权限最低，称为用户态。

之前的操作系统是不分内核态和用户态的，现在有分则是为了在用户态中只能进行一些风险比较低的操作。而内存态中一个不小心的误操作可能会对计算机造成很大 的伤害。