第一章
操作系统的概念(定义)功能和目标
操作系统的概念(定义)--什么是操作系统
操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源(操作系统是系统资源的管理者),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 (向上层提供方便易用的服务); 它是计算机系统中最基本的系统软件。(是最接近硬件的一层软件)
操作系统的功能和目标--操作系统要做些什么
作为系统资源的管理者(重点)
补充知识:执行一个程序前需要将程序放到内存中,才能被CP处理。
举个小例子稍微理解一下
向上层提供方便易用的服务
封装思想:操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务,使用户能更方便地使用计算机,用户无需关心底层硬件的原理,只需要对操作系统发出命令即可。
直接给用户使用
GUI:图形化用户接口
用户可以使用形象的图形界面进行操作,而不需要记忆复杂的命令、参数。
联机命令接口
联机命令接口=交互式命令接口(特点:用户说一句,系统跟着做一句)
脱机命令接口
脱机命令接口=批处理命令接口(特点:用户说一堆,系统跟着做一堆)
例如:windows系统中的.bat命令文件
给软件或程序员使用的
程序接口
程序接口:可以在程序中进行系统调用来实现程序接口。普通用户不能直接使用程序接口,只能通过程序代码间接使用。
作为最接近硬件的层次
需要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。
操作系统的四个特征
并发和共享使两个最基本的特征,二者互为存在条件。
并发(重点)
并发:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上使同时发生的,但微观上是交替发生的。
并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
二者对比
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,而围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。
注意(重要考点)
单核CPU同一时刻只能只能执行一个程序,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。
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。
并发和共享的关系(重点)
并发性指计算机系统中同时存在多个运行着的程序。
共享性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。
因此并发和共享互为存在条件。
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。
空分复用技术
让用户感受了内存远大于实际内存
时分复用技术
使单核计算机用户感受到多核
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。
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
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:缓解了一定程序的人机速度矛盾,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。资源呢利用率一人很低。
多道批处理系统
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。例如无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)
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。
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。
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
网络操作系统(了解)
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就是一种典型的网路操作系统,网站服务器就可以使用)
分布式操作系统(了解)
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(了解)
如windows XP、MacOs,方便个人使用。
操作系统的运行机制(重点)
两种指令
两种指令是指特权指令和非特权指令
应用程序只能执行"非特权指令"(如加减法指令),特权指令(内存清零指令)只允许管理者(操作系统内核)来执行。
由于CPU在生产的时候就划分了特权和非特权指令,所以CPU可以在执行一条指令前就能判断出其类型。
两种状态
两种状态是指内核态和用户态。
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
之前计组的时候,我们学习过程序状态字寄存器(PSW),其中有个二进制位,1表示"内核态",0表示"用户态"
内核态、用户态的切换
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,出发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权(停止运行当前的应用程序,转而运行处理中断信号的内核程序)
两种程序
两种程序是指内核程序和应用程序。
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。
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。
内核有大内核和微内核之分。
来个小栗子
中断和异常
中断的作用(重点)
在前面我们说过,用户态->内核态的切换,需要中断信号,所以中断的作用也就是会使CPU由用户态变为内核态,是操作系统重新夺回对CPU的控制权。
在这里强调一下,“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。
中断的类型
内中断
内中断与当前执行的指令有关,中断信号来源于CPU内部。(内中断一般称之为异常)
举个栗子
试图在哟个浒苔下执行特权指令
执行除法指令时发现除数为0(若当前执行的指令是非法的,则会引发一个中断信号)
有时候应用程序想请求操作系统内核的服务,此时会执行一条特殊的指令--陷入指令,该指令会引发一个中断信号(执行"陷入指令",意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。"系统调用"就是通过陷入指令完成的)
外中断
外中断与当前执行的指令无关,中断信号来源于CPU外部。(外中断特指狭义的中断)
在计组学习中,我们知道每一条指令执行结束时,CPU都会例行检查是否有外中断信号。
举个栗子
时钟中断--由时钟部件发来的中断信号(时钟部件间隔时间发送中断信号)
I/O中断--由输入/输出设备发来的中断信号(当输入输出完成后,发送中断信号)
小结
中断机制的基本原理
不同的中断信号,需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后,会根据中断信号的类型取查询"中断向量表",以此来找到相应的中断处理 程序在内存中的存放位置。
系统调用
什么是系统调用
在上面我们学习过了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,应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。
系统调用与库函数的区别
为什么系统调用是必须的?
如果没有系统调用可以会出现的问题:两个进程随意的、并发地共享资源,会出现各种错乱问题
举个栗子
解决方法:由操作系统内核对共享资源进行同一的管理,并向上提供"系统调用",用户进程想要使用打印机这种共享资源,只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。
什么功能要用到系统调用?
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同一长官,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,有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。
系统调用的过程
操作系统的体系结构
本节的重点:了解各种体系结构的特性,了解各自的优缺点。
分层结构
最底层是硬件,最高层是用户接口,每层可调用更低一层。
模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能,并规定好各模块之间的接口,使各模块之间能通过接口进行通信。也可将模块划分为若干个子模块,同样规定好模块之间的接口。这种设计方法称为模块-接口法。如图
大内核、微内核
外核
总结(重点)
操作系统引导(Boot)
磁盘分区
在磁盘安装操作系统后,磁盘会被分区,分成一下几个重要部分
开机过程
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
在传统计算机中,一台物理机器上只能运行一个操作系统
虚拟机:使用虚拟化技术,将一台物理机器虚拟化为堕胎虚拟机器,每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。
第一类VMM,直接运行在硬件上
第二类VMM,运行在宿主操作系统上
两者对比
第二章
进程的概念、组成、特征
概念
程序:是静态的,就是存放在磁盘里的可执行文件,如:QQ.exe。
线程:是动态的,是程序的一次执行过程,如:可同时启动多次QQ程序。
组成
进程由PCB、程序段、数据段组成。PCB是给操作系统用的,程序段、数据段是给进程自己用的。
PCB
PCB是进程存在的唯一标志,当进程被创建时,操作系统为其创建PCB,当进程结束时,会回收其PCB。PCB由进程描述信息、进程控制和管理信息、资源分配清单、处理机相关信息组成。
进程描述信息包括进程标识符PID、用户标识符UID。
进程控制和管理信息包括CPU、磁盘、网络流量使用情况统计...、进程当前状态:就绪态/阻塞态/运行态...
资源分配清单包括正在使用哪些文件、正在使用哪些内存区域、正在使用哪些I/O设备。
处理机相关信息包括如PSW、PC等等各种寄存器的值(用于实现进程切换)
程序段
程序段顾名思义就是程序的代码(指令序列)
数据段
数据段是运行过程中产生的各种数据(如:程序中定义的变量)
小知识-程序是如何运行的?不废话直接上图
编辑
进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配和调度(指操作系统决定让这个进程在CPU上运行)的一个独立单位。
进程的特征
动态性(进程最基本的特征)——进程是程序的一次执行过程,是动态地产生、变化和消亡的。
并发性——内存中有多个进程实体,各进程可并发执行
独立性——进程是能独立运行、独立获得资源、独立接收调度的基本单位
异步性——各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进,操作系统要提供"进程同步机制"来解决异步问题
结构性——每个进程都会配置一个PCB。从结构上看,进程由程序段、数据段、PCB组成。
进程的状态与转化
先来了解一下进程的几个状态
创建态——进程正在被创建,它的状态是"创建态",在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB。
就绪态——当进程被创建完成后,便进入”就绪态“处于就绪态的进程已经具备运行条件,但由于没有空闲CPU,就暂时不能运行。
运行态——如果一个进程此时在CPU上运行,那么这个进程处于"运行态"。CPU会执行该进程对应的程序(执行指令序列)
阻塞态——当进程运行的过程中,可能会请求等待某个事件的发生(如等待某种资源的分配,获证等待其他进程的响应)。在这个事情发生之前,进程无法继续往下执行,此时操作系统会让这个进程下CPU,并让它进入"阻塞态',这时CPU空闲下来了,又去选择了另一个"就绪态"的进程上CPU运行。
终止态——一个进程可以执行exit系统调用,请求操作系统终止该进程。此时该进程会进入"终止态",操作系统会让该进程下CPU,并回收内存空间等资源,最后还要回收该进程的PCB。当终止进程的工作完成之后,这个进程就彻底消失了。
运行态、就绪态、阻塞态为进程的三个基本状态。
进程状态的转换
直接上图一清二楚
编辑
进程PCB中,会有一个变量state来表示进程的当前状态。如:1表示创建态、2表示就绪态....
进程的组织
链接方式
按照进程状态将PCB分为多个队列,操作系统持有指向各个队列的指针。
编辑
编辑
索引方式
根据进程状态的不同,建立几张索引表,操作系统持有指向各个索引表的指针。