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概述
操作系统的定义
- 是系统最基本最核心的软件，属于系统软件。
- 控制和管理整个计算机的硬件和软件资源。
- 合理的组织、调度计算机的工作与资源的分配。
- 为用户和其它软件提供方便的接口和环境。
操作系统的功能
计算机系统资源的管理者
管理软硬件资源、合理的组织、调度计算机的工作与资源的分配。
处理器（CPU）管理
在多道程序环境下，$CPU$的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因此对$CPU$的管理可理解为对进程的管理。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
存储器管理
为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
文件管理
计算机中所有的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件的管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
设备管理
设备管理的主要任务是完成用户的$I/O$请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓存管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。
用户与计算机硬件系统之间的接口
为了让用户方便、快捷、可靠的操作计算机硬件并执行自己的程序，操作系统提供了用户接口。
操作系统提供的用户接口分为三类：命令接口、程序接口、图形用户接口。
命令接口
用户可以直接使用的，利用这些操作命令来组织和控制作业的执行。
命令接口分为两类：联机命令接口和脱机命令接口。
- 联机命令接口：又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，由一组键盘操作命令组成。用户输入一条指令，操作系统就执行一条指令。
- 脱机命令接口：又称批处理接口，使用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。用户输入一堆指令，操作系统运行一堆指令。在操作系统运行这些命令时用户不可干预。
批处理（$Batch$），也称为批处理脚本。顾名思义，批处理就是对某对象进行批量的处理，通常被认为是一种简化的脚本语言，它应用于$DOS$和$Windows$系统中。批处理文件的扩展名为$bat$。
程序接口
用户通过程序间接使用的，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。由一组系统调用（也称广义指令）组成。
用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务（也称为系统调用），只能通过用户程序间接调用，如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其它各种要求。
图形用户接口
即图形用户界面$GUI$。指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。图形接口不算操作系统的一部分，但是其调用的系统调用命令是操作系统的一部分。
作为扩充机器（虚拟机）
没有任何软件支持的计算机称为裸机。
覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。
操作系统的特征
操作系统具有并发、共享、虚拟、异步四个特征，其中并非和共享是两个最基本的特征，两者互为存在条件。
并发
- 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，在微观上是交替发生的，操作系统的并发性指系统中同时存在着多个运行的程序。
- 并行：两个或多个事件在同一时刻发生。
- 一个单核（$CPU$）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会协调多个程序使他们交替进行（这些程序在宏观上是同时发生的，在微观上是交替进行的）。
- 操作系统是伴随着“多道程序技术”出现的，因此操作系统和并发是一同诞生的。
- 在如今的计算机中，一般都是多核$CPU$的，即在同一时刻可以并行执行多个程序，比如计算机是八核的，计算机可以在同一时刻并行执行八个程序，但是事实上计算机执行的程序并不止八个，因此并发技术是必须存在的，并发性必不可少。
共享
- 资源共享即共享，是指系统中的资源可以供内存中多个并发执行的进程共同使用。
- 共享分为两类：互斥共享和同时共享。
互斥共享
- 计算机中的某个资源在一段时间内只能允许一个进程访问，别的进程没有使用权。
- 临界资源（独占资源）：在一段时间内只允许一个进程访问的资源，计算机中大多数物理设备及某些软件中的栈、变量和表格都属于临界资源，它们被要求互斥共享。
- 比如$QQ$和微信视频。同一段时间内摄像头只能分配给其中一个进程。
同时共享
- 计算机中的某个资源在在一段时间内可以同时允许多个进程访问。
- 同时共享通常要求一个请求分为几个时间片段间隔的完成，即交替进行，微观上“分时共享”。
- 这里的同时指在宏观上是同时的，在微观上是交替进行访问的，只是$CPU$处理速度很快，我们感觉不到，在宏观上感觉是在同时进行。
- 举个例子：比如$QQ$在发送文件$A$，微信在发送文件$B$，宏观上两个进程$A$和$B$都在访问磁盘，在我们看来是同时进行的，但是在微观上两个进程$A$和$B$是交替进行访问磁盘的，只是时间太短，$CPU$处理速度太快，我们感觉不到。
- 有时候多个进程可能真的是在同时进行资源访问，比如玩游戏时可以放音乐，游戏声音和音乐声音都能听见。
虚拟
多道程序设计：是指在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。 两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态。这就称为多道程序设计。多道程序技术运行的特征：多道、宏观上并行、微观上串行。
- 虚拟是把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
- 物理实体（前者）是实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的事务。
- 虚拟技术：用于实现虚拟的技术。
- 虚拟处理器（$CPU$）：通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，分时来使用一个$CPU$，实际物理上只有一个$CPU$，但是用户感觉到有多个$CPU$。
- 虚拟存储器：从逻辑上扩充存储器容量，用户感觉到的但实际不存在的存储器。
- 虚拟设备：将一台物理设备虚拟为逻辑上的多台设备，使多个用户在同一时间段内访问同一台设备，即同时共享，用户宏观上感觉是同时的，但实际上是微观交替访问同一台设备的。
- 操作系统的虚拟技术科归纳为：
- 时分复用技术：如处理器的分时共享。
- 空分复用技术：如虚拟存储器。
异步
- 异步指多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，如$CPU$只有一个，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进。
- 比如$A$进程正在占用$CPU$计算，$B$进程这时也想占用$CPU$计算，$B$进程只有等，等$A$进程算完了，$A$进程去访问磁盘资源了，这时$B$进程再占用$CPU$进行计算，$B$进程还没计算完，$A$进程从磁盘取出资源了，$A$进程发现$B$这时在占用$CPU$，这时$A$进程就需要等待，等$B$算完后再继续到$CPU$中进行计算。由于每个进程占用资源的时间不固定，所以进程的执行以不可预知的速度前进。
- 操作系统必须在运行环境相同的条件下保证运行结果的一致性。
操作系统的发展阶段
手动操作阶段
- 缺点：
- 用户独占全机。
- 人机速度矛盾。
单道批处理系统
- 引入脱机输入/输出技术（磁带），并用监督程序复杂控制作业的输入输出。
- 特点：
- 自动性。
- 顺序性。
- 单道性。
- 优点：
- 缓解了一定的人机速度矛盾，资源利用率得到提升。
- 缺点：
- 内存只能有一道程序运行。只能串行执行。
- $CPU$大量时间用于等待I/O的完成，资源利用率低。
多道批处理系统
- 操作系统正式诞生，引入中断技术，从而能并发执行程序。
- 特点：
- 多道。
- 宏观并行。
- 微观串行。
- 优点：
- 多道程序并发执行，共享计算机资源。
- 资源利用率提升，$CPU$和其他资源基本上忙碌，系统吞吐量增大。
- 缺点：
- 用户响应时间长。
- 无法人机交互，不能控制作业执行。
- 问题：
- 处理器分配。
- 多道程序内存分配。
- $I/O$设备分配。
- 程序数据组织存放。
操作系统的分类
由于无法人机交互，操作系统进一步发展，出现了不同种类的操作系统。
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，每个用户可以通过终端与计算机交互。
- 特点：
- 同时性。
- 交互性。
- 独立性。
- 及时性。
- 优点：
- 用户请求可以及时响应，解决人机交互问题。
- 运行多个用户共同使用一台计算机，且用户对计算机的操作相互独立，感受不到其他人存在。
- 缺点：
- 不能处理紧急任务，操作系统对于每个用户都是公平的，循环给出时间片。
- 非抢占式优先级高者优先算法。
实时操作系统
- 能优先响应紧急任务，不用等待时间片排队。
- 特点：
- 及时性。
- 可靠性。
- 优点：
- 能优先处理紧急任务，使用率更高。
- 对于紧急事件能有效高速处理，可靠性较高。
- 分类：
- 硬实时系统：对某个动作必须绝对在指定时间内完成，如导弹系统、股票系统、自动驾驶系统等。
- 软实时系统：对某个动作可以接受偶尔违反规定且伤害较小，如订票系统，旅店管理系统。
- 抢占式优先级高者优先算法。
其他操作系统
- 网络操作系统：伴随计算机网络发展而但是，能连接网络中各个计算机从而能传输数据，实现网络中各种资源的共享和计算机之间的通信，如$Windows,NT$。
- 分布式操作系统：具有分布性和并行性，系统中各个计算机地位相同，任何工作可以分布在这些计算机上，并行写协同完成任务。
- 个人计算机操作系统：方便个人使用的操作系统，如$Windows,10$、$MacOS$。
操作系统运行环境
操作系统运行机制
两种指令
-
指令就是处理器能识别和执行的最基本命令。所以指令能控制处理器，需要给指令进行控制，对于危险的指令要更高的权限。
-
特权指令：
- 指具有特殊权限的指令，只用于操作系统或其他系统软件，一般不直接提供给用户使用。
- 如有关对$I/O$设备使用的指令、有关访问程序状态的指令、存取特殊寄存器指令。
- 具体而言如清内存、置时钟、输入输出、分配系统资源、修改虚存的段表和页表，修改用户的访问权限等。
-
非特权指令：
- 可以被用户自由使用的指令。
- 如读取时钟、从内存中取数、将运算结果装入内存、算术运算、寄存器清零等。
-
置时钟：若在用户态下执行“置时钟指令”，则一个用户进程可在时间片还未到之前把时钟改回去，从而导致时间片永远不会用完，进而导致该用户进程一直占用$CPU$，这显然不合理。
-
输入输出：涉及中断指令，而中断处理由系统内核负责，工作在核心态。
处理机状态
操作系统根据处理器状态来判断是否可以使用特权指令。
操作系统用程序状态字寄存器$PSW$中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态，如$0$为用户态，$1$为核心态。
- 用户态（目态）：只能执行非特权指令。
- 核心态（管态）：可以执行特权指令。
程序类别
根据程序所可以使用指令的权限，程序分为两种：
- 内核程序：是系统的管理者，既可以运行特权指令也可以运行非特权指令，运行在核心态。
- 应用程序：为了保证安全，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。
操作系统的内核
操作系统的程序既然分为内核程序和应用程序，就说明有些程序是更重要的。
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本最核心的部分，而实现操作系统内核功能的程序就是内核程序，其他的就是非内核功能。
内核功能分为：
- 时钟管理：
- 进程等的计时功能。
- 时钟中断实现进程切换。
- 中断处理：
- 负责实现中断机制，提高$CPU$利用率。
- 只有一小部分功能属于内核，负责保护和恢复现场，转移控制权道相关处理程序。
- 原语：
- 是一种特殊的公用程序，是最接近硬件的部分。
- 这种程序的运行具有原子性，运行时间短，调用次数频繁。
- 定义原语的直接方法是关闭中断，让所有操作一致完成再打开中断。
- 如设备驱动、$CPU$切换、进程通信等。
- 系统资源管理功能：可能包含在内核中也可能不包含：
- 进程管理。
- 存储器管理。
- 设备管理。
中断
中断是内核所必要的基本功能。
中断机制的概念
- 并发批处理就需要中断机制。发生中断就表示需要操作系统介入，开展管理工作。
- 用户态道核心态之间的转换是通过中断实现的，且是唯一的途径，通过硬件的控制，类似$10$标志位。
- 而核心态道用户态之间的切换只用执行一个特权指令，将程序状态字$PSW$的标志位设置为用户态。
- 当中断发生时，$CPU$立刻进入核心态。
- 当中断发生后，当前运行的进程暂停，并由操作系统内核对中断进行处理。
- 对于不同的中断信号会进行不同的处理。
中断的分类
- 内中断（异常、例外、陷入）信号来自$CPU$内部，与当前执行的命令有关，必须立刻处理，且对于无法恢复故障的需要终止进程。
- 自愿中断：指令中断。如系统调用时使用的访管指令（陷入指令、$trap$指令）引起的访管中断。
- 强迫中断：
- 硬件故障。（缺页）
- 软件中断。（整数除$0$）
- 外中断（中断）信号来自$CPU$外部，与当前执行的命令无关。
- 外设请求：如$I/O$操作完成时发出的中断信号。
- 时钟中断：时间片已到。
- 人工干预。
另一种分类方式内中断分为：
- 陷阱、陷入。
- 故障。
- 终止。
外中断的处理过程
- 关中断。$CPU$响应中断后，首先要保护程序的现场状态，在保护现场的过程中，$CPU$不应响应更高级中断源的中断请求。否则，若现场保存不完整，在中断服务程序结束后，也就不能正确地恢复并继续执行现行程序。
- 保存断点。为保证中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来的程序的断点（即程序计数器$PC$）保存起来。由硬件自动完成。
- 中断服务程序寻址。其实质是取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器$PC$。
- 保存现场和屏蔽字。进入中断服务程序后，首先要保存现场，现场信息一般是指程序状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容。
- 开中断。允许更高级中断请求得到响应。
- 执行中断服务程序。这是中断请求的目的。
- 关中断。保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断。
- 恢复现场和屏蔽字。将现场和屏蔽字恢复到原来的状态。
- 开中断、中断返回。中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。
第一步道第三步是$CPU$进入中断周期后，由硬件自动完成（中断隐指令），第四到九条是中断服务程序完成。
系统调用
系统调用的概念
系统调用是程序接口的组成部分，用于应用软件调用，也称为广义指令。可以认为是一种可供应应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
系统调用的过程
为什么要使用系统调用来处理应用程序的请求？如果不同进程争用有限的资源，没有良好的处理机制就会混乱。所以操作系统提供系统调用提供统一处理的过程规范，应用程序通过系统调用发出请求，操作系统在根据请求协调管理。
系统调用本质就是指令中断，所以需要特权指令，从而系统调用的相关处理只能在核心态下进行。
- 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。
- 陷入指令也称为访管指令，在用户态执行（因此不是特权指令），执行陷入指令后立刻引发一个内中断，从而$CPU$进入核心态。
- 发出系统调用请求的是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行。
- 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不能核心态执行的指令。
系统调用的类别
- 设备管理：设备的请求、释放、启动。
- 文件管理：文件的读、写、创建、删除。
- 进程管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒。
- 进程通信：进程之间的消息传递、信号传递。
- 内存管理：内存的分配、回收。
系统调用与库函数的区别
| 层次 | 使用关系 |
|---|---|
| 普通应用程序 | 可直接使用系统调用，也可以使用库函数。有的库函数涉及系统调用有些则不涉及 |
| 编程语言 | 向上提供库函数，有时会将系统调用封装为库函数以隐藏系统调用细节，从而使上层系统调用更方便 |
| 操作系统 | 向上提供系统调用 |
| 裸机 | 无 |
操作系统的体系结构
体系结构根据内核功能的多少分为：
- 微内核：内核功能只包含基本的时钟管理、中断处理、原语功能。
- 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。
- 缺点：因为很多功能不在内核中，需要频繁在核心态和用户态之间切换，效率较低。
- 大内核：除了基本功能外还包含进程管理等其他功能。
- 优点：高性能。
- 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。