操作系统概念、功能

概念

计算机系统的层次结构

• 用户
• 应用程序（软件）：QQ、浏览器等等
• 操作系统
  • 负责管理协调硬件、软件等计算机资源工作
  • 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
  • 操作系统是系统软件，而不是硬件
• 裸机（纯硬件）：CPU、内存、硬盘

操作系统

• 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

直观例子：

widows操作系统的“任务管理器”

功能和目标

1. 操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？
2. 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？
3. 操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？

作为系统资源的管理者

补充知识：进程是一个程序的执行过程，执行前需要将该程序放到内存中 ，才能被CPU处理

案例：用QQ和朋友进行视频聊天的过程：

1. 在文件夹中找到QQ安装的位置——->打开文件夹，找到QQ程序，这个程序（可执行文件）的存放位置
2. 双击打开QQ.exe——>需要把该程序相关数据放入内存
3. QQ程序正常运行——>对应的进程被处理机（CPU）处理
4. 开始和朋友视频聊天——>需要将摄像头设备分配给进程

作为用户和计算机硬件之间的接口

命令接口：允许用户直接使用

程序接口：允许用户通过程序间接使用

GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口

用户接口：命令接口和程序接口统称

• 联机命令接口实例（Windows系统）联机命令接口=交互式命令接口

1. win键+R
2. 输入cmd，按回车，打开命令解释器
3. 尝试使用time指令

• 脱机命令接口实例（Windows系统） 脱机命令接口=批处理命令接口

使用Windows系统的搜索功能，搜索C盘中的*.bat文件，用记事本任意打开一个

• 程序接口：如C:\Windows\System32\user32.dll 程序员在程序中调用user32.dll(该调用过程即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。

• GUI：图形用户界面

  用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

  例子：在Windows操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可

作为最接近硬件的层次

• 需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的扩展
• 没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成共能更强、使用更方便的机器
• 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

类比：

硬件：锤子、锯子、木头、钉子。。

操作系统：优秀的工匠

操作系统对硬件机器的拓展：通过优秀工匠，这些简单的原料可以组织成房子、帆船。。。。

普通用户可直接使用工匠提供的房子、帆船，而无需关心这些东西在底层式怎么组织起来工作的

操作系统的特征

重点：

理解并发和并行的区别

并发和共享互为存在条件

没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享式操作系统的两个最基本的特征

并发

并发概念：

• 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

并行概念：

• 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存在着多个运行着的程序

一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行）

事实上，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

当今的计算机，一般都是多核CPU，比如4核CPU，这就意味着同一时刻可以有4各程序并行执行，但是操作系统的并发性依然必不可少，当代人使用计算机绝对有4个以上的程序需要同时工作

共享

共享概念：

• 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

两种共享方式：

1. 互斥共享方式
   • 系统中某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内指允许一个进程访问该资源
2. 同时共享方式
   • 系统中的某些资源，允许一个时间段内有多个进程“同时”对他们进行访问

所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对资源进行访问的（即分时共享）

生活实例：

互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程

同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发发送文件，说明两个进程都在访问都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上，两个进程是交替着访问硬盘的

并发和共享两者关系

、互为存在条件

并发性：指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序

共享性：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

案例：

使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。

1. 两个进程正在并发执行（并发性）
   • 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
2. 需要共享的访问硬盘资源（共享性）
   • 如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

虚拟

虚拟概念：

• 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

背景知识：

• 一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

案例1：(虚拟技术中的“空分复用技术”)

一个游戏需要4GB的运行内存，微信需要256MB的内存，网易云音乐需要256MB.。。。。

我的电脑：4GB，为什么能同时运行呢？

答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB

案例2：（虚拟技术中的“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）

假如某单核CPU的计算机中，用户打开了6个软件，既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行，那么为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢？

答：这是虚拟处理器技术。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有6个CPU在同事为自己服务

• 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

异步概念：

• 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，而实走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性

操作系统的发展和分类

手工操作阶段

主要缺点：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

引入脱机输入/输出技术（用磁盘完成），并监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入、输出

单道批处理系统

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

多道批处理系统

每次往内存中输入多道程序，操作系统正式诞生，并引入了终端技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。

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）

二者图形比较

分时操作系统

概念：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，不区分任务地紧急性。

实时操作系统

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。

在实时操作系统地控制下，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。实时操作系统地主要特点时及时性和可靠性

实时操作系统

1. 硬实时系统：必须在绝对严格地规定时间内完成处理
   • 如：导弹控制系统、自动驾驶系统
2. 软实时系统：能接收偶尔违反时间规定
   • 如12306火车订票系统

其他操作系统

网络操作系统：

• 是伴随着计算机网络地发展而诞生地，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，实现网络中各个资源地共享（如文件共享）和各台计算机之间地通信。（如：Windows NT就是一种典型地网络操作系统，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。系统中地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和体系结构

运行机制

两种指令

指令概念：

• 简单来说，“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

• 比如：加法指令就是让CPU进行加法运算

指令分类：

1. 特权指令：如内存清零指令—>不允许用户程序使用
2. 非特权指令：如普通的运算指令

两种处理器状态

问题：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

两种程序

1. 内核程序
   • 操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
2. 应用程序
   • 为了保证系统能安全运行，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

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。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

操作系统的体系结构

类比：

操作系统地体系结构问题与企业的管理问题很相似

内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接

大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织结构混乱，难以维护。

中断和异常

中断机制的诞生

早期的计算机：各程序只能串行执行，系统资源利用率低

为了解决这个问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序并发执行

本质：发生中断就以为着需要操作系统介入，开展管理工作

中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，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

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以是CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

中断的分类

另一种分类方式

外中断的处理过程

1. 执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
2. 如果监测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的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

什么是系统调用，有何作用？

知识点回顾：

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中程序接口由一组系统调用组成

系统调用：

是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务

系统调用和库函数的区别

系统调用背后过程

进程的定义、组成、组织方式、特征

进程的定义

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，

例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB

注意：PCB是进程存在的唯一标志

从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有：

1. 进程是程序的一次执行过程
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
3. 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

引入进程实体的概念后，可把进程定义为：

进程是进程实体的运行过程，是系统进程资源分配和调度的一个独立单位

注意：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。不过，除非题目专门考察二者区别，否则可以认为进程实体就是进程。因此我们也可以说“进程由程序段、数据段、PCB三部分组成”

进程的组成

进程由程序段、数据段、PCB三部分组成

进程的组织

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来

注意：进程的组成讨论时一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的时多个进程之间的组织方式问题

进程的特征

进程的状态和转换

进程三种基本状态

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务，可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态

进程另外两种状态

进程的转换