1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

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。

1.1.2 操作系统的功能和目标

1.1.2.1 作为系统资源的管理者

1. 处理机管理

在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。并发是指在计算机内同时运行多个进程，因此进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、合理共享就是进程管理的最主要的任务。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。

2. 存储器管理

存储器管理是为了给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。

3. 文件管理

计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负贲文件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。

4. 设备管理

设备管理的主要任务是完成用户的IO请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。

1.1.2.2 向上层提供方便易用的服务

1. 命令接口

使用命令接口进行作业控制的主要方式有两种，即联机控制方式和脱机控制方式。按作业控制方式的不同，可将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。

• 联机命令接口，用户说一句，系统跟着做一句。如命令行CMD等等
• 脱机命令接口，用户说一堆，系统跟着做一堆。如批处理命令接口bat等等

2. 程序接口

程序接口由一组系统调用（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、如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其他各种要求。

普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码简介使用

1.1.2.3 对硬件机器的拓展

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，将裸机改造成功能更强、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

1.1.3 操作系统的特征

1.1.3.1 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。

注意区别并行和并发的区别

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

如4 核CPU，意味着可以并行地执行4个程序

1.1.3.2 共享

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。

• 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”对它们进行访问

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该资源进行访问的,即分时共享

并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件:①资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题;②若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

1.1.3.3 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。

操作系统的虚拟技术可归纳为: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。

1.1.3.4 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。

1.2 操作系统的发展与分类

1.2.1 手工操作阶段

用户在计算机上算题的所有工作都要人工千预，如程序的装入、运行、结果的输出等。

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

1.2.2 批处理阶段

1.2.2.1 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。

1.2.2.2 多道批处理系统

多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许它们在 CPU中交替地运行，这些程序共享系统中的各种硬/软件资源。

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。^[1]）

操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行

1.2.3 分时操作系统

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，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。

1.2.4实时操作系统

为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队，诞生了实时操作系统。根据时间限制可分为两种情况

• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如：导弹控制系统、自动驾驶系统
• 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定，如：12306火车订票系统

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

1.2.5 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。

1.3 操作系统的运行环境

1.3.1 操作系统的运行机制

CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

内核是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，如图形化用户界面GUI

应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等

操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用

CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”

• 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
• 处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

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

1.3.2 中断和异常的概念

“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

中断可以分为内中断和外中断

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部，也称异常、例外
  • 陷阱、陷入：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
  • 故障：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。
  • 终止：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
• 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：由时钟部件发来的中断信号
  • I/O中断请求：由输入/输出设备发来的中断信号

中断处理过程见计组第七章

1.3.3 系统调用

“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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

系统调用的功能可以分为

• 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

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而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，由操作系统内核代为完成。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。

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

1.4 操作系统的体系结构

计算机系统的层次结构.png

原语是一种特殊的程序，具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可被“中断”

1.4.1 大内核和微内核

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

大内核和微内核.png 大内核和微内核.png

变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

---

1. 无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数 ↩