CS408/Operate-System/0-summary.md

# 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。

### 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，“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。
+ 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。
+ 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。

## 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。
+ 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哦相互独立，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。

### 实时操作系统

+ 能优先响应紧急任务，不用等待时间片排队。
+ 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。

### 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。

## 操作系统的运行机制

### 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、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、算术运算等。

### 两种处理器状态

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。

### 两种程序

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。
+ 中断处理：负责实现中断机制。
+ 原语：是一种特殊的程序，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，如设备驱动、CPU切换等。
+ 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。

## 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。

## 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。
+ 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。

1. 当中断发生时，CPU立刻进入核心态。
2. 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。
3. 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。
  + 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）
  + 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。（I/O操作完成时发出的中断信号）
  + 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

1. 执行外每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
2. 若检测到外部中断信号，则需要保护呗中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）。
3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序。
4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

## 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。可以任务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。

1. 传递系统调用参数。
2. 执行陷入指令（用户态）。
3. 执行系统调用相应服务程序（核心态）。
4. 返回用户程序。

+ 陷入指令在用户态执行，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