操作系统 (王道)- 第一章

操作系统的概念（定义）、功能和目标

概念

• 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
• 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
• 是一种系统软件

功能和目标

• 资源的调度者
  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 文件管理
  • 设备管理
• 向上层提供服务
  • 给普通用户用的
    • GUI用户界面
    • 命令接口
      • 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。比如在Windows的cmd中输入time命令
      • 脱机命令接口（批处理命令接口）：用户说一句，系统跟着做一堆。如执行bat文件
  • 给软件/程序员用的
    • 程序接口（即系统调用）
    • 和命令接口统称为用户接口
• 对硬件机器扩展
  • 扩充机器

操作系统的四个特征

• 并发
  • 两个或多个事件在同一时间间隔内发生
  • ==宏观==上同时发生
  • ==微观==上交替发生
  • 并行：同一时刻同时进行
• 共享
  • 互斥共享方式
    • 一个时间段内只允许一个进程访问该资源
    • 如对摄像头设备的共享使用
  • 同时共享方式
    • 一个时间段内允许多个进程“同时”对他们进行访问
    • 如对硬盘资源的共享使用
  • 并发和共享==互为存在条件==
• 虚拟
  • 空分复用技术
    • 用户看来的内存远大于实际内存
    • 如虚拟存储技术
  • 时分复用技术：
    • 微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务
    • 如虚拟处理机技术
  • ==没有并发性，就谈不上虚拟性==
• 异步
  • 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
  • ==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

• 手工操作阶段
  • 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
  • 单批道处理系统
    • 引入==脱机输入/输出技术==（外围机+磁带完成），并由==监督程序==负责控制作业的输入、输出
    • 简单来说，通过外围机把程序提前存到磁带里
    • 优点：缓解人机速度矛盾
    • 缺点：资源利用率依然很低
  • 多批道处理系统
    • 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==
    • 缺点
      • 没有人机交互功能
• 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==
  • 优点：提供人机交互功能
  • 缺点：不能优先处理紧急任务
• 实时操作系统
  • 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
  • 软实时系统：能接手偶尔违反时间规定
  • 优点：能优先处理紧急任务，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==
• 网络操作系统：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
• 分布式操作系统
  • 系统中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，由他们并行、协同完成这个任务
  • 主要特点是==分布性==和==并行性==
• 个人计算机操作系统

操作系统的运行机制

• 简单了解程序的运行原理
  • 高级语言编写代码：机器指令
  • 程序运行的过程就是CPU执行指令的过程
• 两类程序
  • 内核程序
    • 由很多内核程序组成了==操作系统内核==，或简称为==内核==
    • 操作系统==最重要最核心==的部分
    • 也是==最接近硬件的部分==
    • 操作系统的功能未必都在内核中，如GUI
  • ==应用程序==
• 两类指令
  • 特权指令（只能是内核程序）
  • 非特权指令
• 两种处理机状态
  • 内核态/核心态/管态（只能是特权指令，内核程序）
    • 运行内核程序
    • 可以执行特权指令
  • 用户态/目态
    • 运行应用程序
    • 只能执行非特权指令
• 内核
  • 内核是操作系统最重要最核心的部分
  • 由很多内核程序组成操作系统内核
• 如何变态
  • 内核态$\Longrightarrow$ 用户态
    • 一条修改==程序状态字寄存器==(PSW)的特权指令
    • 操作系统主动让出CPU使用权
  • 用户态$\Longrightarrow$内核态
    • 由中断引起，硬件自动完成
    • 硬件自动完成变态过程
    • 操作系统强行夺回CPU使用权
    • 但凡需要操作系统接入的地方，都会触发中断信号

中断和异常

• 中断的作用
  • 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
• 中断的分类
  • 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(trap)：如系统调用
    • 故障(fault)：如缺页故障
    • 终止(abort)：如整数除0
  • 外中断/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请求中断

大多数教材、试卷中，“中断”特指狭义的中断，即“外中断”。而内中断一般称为“异常”

• 中断机制的基本实现原理
  • 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：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
  • 找到相应的中断处理程序
    • 通过==中断向量表==实现

系统调用

• 什么是系统调用
  • 操作系统对应用程序/程序员提供的接口
• 系统调用与库函数的区别
  • 有的库函数是对系统调用的进一步封装：如创建一个新文件的函数
  • 有的库函数没有使用系统调用：如取绝对值的函数
• 什么功能要用系统调用实现
  • 设备管理：完成设备的请求/释放/启动等功能
  • 文件管理：完成文件的读/写/创建/删除等功能
  • 进程控制：完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
  • 进程通信：完成进程之间的消息传递/信号传递等功能
  • 内存管理：完成内存的分配/回收等功能
• 系统调用的过程
  • 传参
  • 陷入指令/Trap/访管
  • 由操作系统内核程序处理系统调用请求
  • 返回应用程序
  • 即：传递系统调用参数$\Rightarrow$执行陷入指令（==用户态==）$\Longrightarrow$执行相应的内请求

操作系统的体系结构

• 操作系统内核
  • 时钟管理：实现计时功能
  • 中断处理：负责实现中断机制
  • 原语
    • 一种特殊的程序
    • 处于操作系统==最底层==，是==最接近硬件==的部分
    • 这种程序的运行具有原子性：其运行只能一气呵成，不可中断
    • 运行时间较短、调用频繁
  • （以上与硬件关联紧密，以下更多的是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件）
  • 对系统资源进行管理的功能
    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理
• 大内核
  • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
  • 优点：高性能
  • 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
• 微内核
  • 只把最基本的功能保留在内核
  • 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
  • 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

• 操作系统包括
  • 非内核功能
  • 进程管理、存储器管理、设备管理等功能
  • 时钟管理、中断处理、原语
• 大内核包括
  • 进程管理、存储器管理、设备管理等功能
  • 时钟管理、中断处理、原语
• 微内核包括
  • 时钟管理、中断处理、原语

• 变态的过程是==有成本的==，频繁的变态会==降低系统性能==

操作系统引导

• CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
• 将磁盘的第一块——主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
• 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
• 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作

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(Virtual Machine, VM)，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统

• 两类虚拟机管理程序VMM的对比