操作系统基础——01 操作系统基本概念
计算机系统的层次结构
操作系统的定义
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
- 操作系统是系统资源（硬件和软件）的管理者
- 向上层提供方便易用的服务
- 是最接近硬件的一层软件
操作系统的功能和目标
作为系统资源的管理者
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提供的功能：
- CPU（处理机）管理
- 内存（存储器）管理
- 文件管理
- 设备管理
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目标：安全、高效
向上层提供方便易用的服务
封装思想：操作系统把一些硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可
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直接给用户使用的
- GUI
- 命令接口：联机命令接口、脱机命令接口
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给软件/给程序员使用
- 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
作为最接近硬件的层次
- 需要实现对硬件机器的拓展：操作系统将 CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能，普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的，只需直接使用操作系统提供的接口即可
操作系统的四个特征
并发和共享是两个最基本的特征（没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步），二者互为存在条件
并发
- 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。
并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
- 操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。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
- 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
- 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
共享
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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。
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两种资源共享方式
- 互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
- 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”（宏观上）对它们进行访问
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。
- 空分复用技术（如虚拟存储技术）
- 时分复用技术（如虚拟 CPU 技术）
显然，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，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
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。
如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
操作系统的发展与分类
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手工操作阶段：纸带机
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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
- 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：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
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批处理阶段——多道批处理系统：每次往内存中读入多道程序，操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行
- 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：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）
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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。
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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。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
- 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。
- 分类：硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理；软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定
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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
操作系统的运行机制
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如何区分 CPU 处于用户态还是内核态：CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1 表示内核态，0 表示用户态（有的 CPU 也可能相反）
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内核态=核心态=管态，用户态=目态
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内核态和用户态的切换
- 刚开机时，CPU 为内核态，操作系统内核程序先在 CPU 运行
- 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
- 操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上 CPU 运行（操作系统内核在让出 CPU 之前，会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为用户态）
- 应用程序运行在用户态
- CPU 发现要执行的指令是特权指令，但是处在用户态，这个非法事件会引发一个中断信号
- CPU 检测到中断信号后，会立即变为内核态，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序
- 操作系统获取 CPU 的控制权，直到处理完中断后再将 CPU 使用权转给应用程序
- 内核态——用户态：执行一条特权指令——修改 PSW 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（除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号）
中断和异常
- 中断是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径
中断的作用
没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发
- 让操作系统内核强行夺回 CPU 的控制权
- 使 CPU 从用户态变为内核态
中断类型
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内中断（异常、例外）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部
- 陷阱、陷入：执行陷入指令，意味着应用程序主动地将 CPU 控制权还给操作系统内核。 系统调用就是通过陷入指令完成（陷入指令）（注意不是特权指令，能再用户态使用）
- 故障：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将 CPU 使用权还给引发终止的应用程序， 而是直接终止该应用程序。如：整数除 0、非法使用特权指令
- 终止：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU 使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。
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外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部
- 时钟中断
- I/O 中断请求
每一条指令执行结束时，CPU 都会例行检查是否有外中断信号
中断机制的基本原理
不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理
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检查中断信号
- 内中断：CPU 在执行指令时会检查是否有异常发生
- 外中断：每个指令末尾，CPU 都会检查是否有外中断信号需要处理
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找到相应的中断处理程序
- 根据中断信号的类型去查询中断向量表，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置
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，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（和库函数类似，但有区别）
- 有的库函数涉及系统调用（如 open），有的不涉及系统调用（如取绝对值的函数）
系统调用的分类
系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O 操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
系统调用过程
操作系统的内核
宏内核和微内核
操作系统结构
分层结构
最底层是硬件，最上层是用户接口，每层可单向调用更低一层的接口（不能跨层调用）
模块化
将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块
内核 = 主模块（进程、内存）+ 可加载内核模块（驱动）
外核
外核能够给用户分配未经抽象的硬件资源（没有虚拟化映射），用户看到的是物理内存，可以提高访存效率（在一些频繁使用的物理地址可以这样分配）
操作系统引导（开机过程）
- 操作系统引导（boot）：开机的时候，让操作系统运行起来
虚拟机
虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器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；需要使用到虚拟机管理程序（虚拟机监控程序/VMM/Hypervisor)
- 第一类 VMM，直接运行在硬件上，只有 VMM 是运行在内核空间中的，操作系统是运行在用户空间的，只不过是它自己以为运行在内核空间中，VMM 提供操作系统执行特权指令的功能
- 第二类 VMM，直接运行在宿主操作系统上（VMware）
- 两类 VMM 对比