【操作系统】1. 操作系统概述

【 1. 什么是操作系统 】

• 操作系统是管理硬件资源、控制程序运行、改善人机界面和为应用软件提供服务的一种系统 软件。
• 一个服务提供者。
  • 一个系统软件。
  • 执行用户程序，提供系统调用。
  • 控制程序执行过程，防止错误。
  • 方便用户使用计算机系统。
• 一个资源管理程序。
  • 应用程序与硬件之间的中间层。
  • 管理各种软硬件资源。
  • 提供访问软硬件资源的高效手段。
  • 解决访问冲突, 确保公平使用。
• 系统设计者利用硬件提供的能力，来完成操作系统的功能实现；应用程序的开发者可以直接利用操作系统的功能，也可以在操作系统之上开发一些通用的应用即系统应用；在系统应用之上可以开发适用于用户不同需求的应用程序。
  

【 2. 操作系统软件的分类 】

【 3. 操作系统内核的抽象和特征 】

3.1 操作系统内核的抽象

• 操作系统将CPU抽象成进程。操作系统要负责CPU资源的管理，CPU的功能是计算的能力，那操作系统就将CPU抽象成一个数据结构叫进程控制化。
  进程描述一个程序如何被加载到计算机系统当中，如何分配他所需要的资源，然后占用CPU执行，如果同时负责多个程序在执行的时候，需要的暂停恢复，都会有进程的概念。
• 操作系统将磁盘抽象成文件。文件是是计算机系统当中的一个基本单位，这个基本单位的内容是存在磁盘上的。
  操作系统抽象出文件这个概念之后，用户应用程序对数据的访问就是指去访问某一个文件，需要知道这个文件在哪，把它的内容读出来，以及往文件里写数据的时候，需要把数据存到哪里，这是操作系统需要解决的问题。
• 操作系统将内存抽象成地址空间，内存是临时性存数据的地方。
  好多个应程序交替执行的时候，就会有地址空间上的管理：到底把哪一块空间，分配给哪个进程来执行。

3.2 操作系统内核的特征

• 并发：计算机系统中同时存在多个运行程序。
  在 C语言中，从main开始执行，一直到main执行完毕，这是我们原来理解的一个程序的过程。但是在操作系统里的内核需要管理多个正在运行的程序交替执行，这个交替执行就是指一个进程占用 CPU，直到某位置，CPU被收回给另外一个进程，这时要记录当前执行到哪了，保存哪些数据，然后把另一个进程上一次执行的状态恢复回来，然后继续执行。这种 交替的执行，就是我们这里所说的并发。
• 共享：程序间 “同时” 访问互斥共享各种资源。
  在计算机系统当中，有多个应用程序执行，在原来我们写程序的时候，只关心这个程序里头，到底访问哪些资源，但是在操作系统里头呢，就需要关心多个应用程序同时要访问同一个资源的时候怎么来处理：
  比如说两个程序的执行都要使用CPU，那这个CPU怎么来分配给两个进程？因为对于CPU来说，它不是可以把一半分给一个进程，另一半分给另一个进程，它只能一个时间段给一个进程，另一个时间段给另一个进程。而对于内存来说，它是另外一种方式，可以把一部分给一个进程一部分给另一个进程。针对不同的资源，它有不同的共享的方式和策略。
• 虚拟：每个程序” 独占” 一个完整的计算机。
  在直接写汇编程序的时候，是一个物理的CPU上有一个计算器，保存了当前指令指针的执行。而现在我们有多个运行的程序进程在计算机系统当中执行，此时，每一个程序看上去好像都是在一个完整的独立计算机上执行，只是说跟原来区别在于它中间有可能暂停下来，把CPU让给另外一个进程去执行，但对于这个程序来说，它好像就是占用了一台独立的完整的计算机在执行，这种看上去好像是一台独立的计算机，这就是我们这里所说的虚拟。内存、磁盘都有类似的问题，也就是说我把一个资源虚拟化之后，让各个应程序看上去这个资源都是它在独立的使用，由操资系统来协调，这种看上去独立的使用，在内部实际上它是共享的。
• 异步：服务的完成时间不确定，也可能失败。
  在嵌入系统，可以通过这个延时来实现等待的操作。但是在计算机内核里，在操作系统里，一段程序执行时间可能会由于中间CPU给了别的进程执行，而该段程序实际执行的时间是不确定的，这样就不能用用时钟来确定到底多长时间可以执行下一步操作。这种不确定性就会导致原来看上去正确的一些逻辑会产生麻烦，这就是我们这里说到的异步。