操作系统

引言

现大二马上大三的呆萌大学生，根据b站以下视频学习的顺便记录下的考研笔记，供自己和粉丝们使用，嘿嘿嘿😁。

如有错误请在评论区更正，然后本人在将博客更新重新发表，嘿嘿嘿😁
王道计算机考研 操作系统

一、 操作系统概述

• 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，并合理得组织调度计算机的工作和资源的分配；一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。

直观的例子：打开Windows操作系统的“任务管理器”（快捷键：Ctrl+Alt+Del）

1.1 操作系统的功能和目标

1. 作为系统资源的管理者

2. 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。

• 服务：

  • GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）

  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。

  

  • 联机命令接口

  实例（Windows系统） 联机命令接口=交互式命令接口

  Step1：win键+R

  Step2：输入cmd，按回车，打开命令解释器

  Step3：尝试使用time命令

  

  特点：用户说一句，系统跟着做一句

  • 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

  

  特点：用户说一堆，系统跟着做一堆

  • 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。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。

  

• 总结

• 目标

实现对硬件机器的拓展。

1.2 操作系统的特征

操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步。其中并发和共享是最基本的特征，二者互为存在条件。

1.2.1 并发

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些时间宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

常考易混淆概念——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。
• 注意（重要考点）：

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。

即使是对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要“同时”运行，那么并发性依然是必不可少的，因此并发性是操作系统一个最基本的特性。

1.2.2 共享

共享：即共享资源，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。

• 两种资源共享方式：
  • 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）。

1.2.3 并发和共享的关系

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。

1.2.4 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。

• 总结

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需要运行一道程序，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。

1.2.5 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。

由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

1.2.6 知识回顾与重要考点

• 重要考点：

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，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

1.3 操作系统的发展与分类

学习提示：要重点关注和理解各类操作系统主要想解决的是什么问题，各自的优缺点。

1.3.1 手工操作阶段

• 缺点

用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

1.3.2 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（操作系统的雏形）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。

1.3.3 批处理阶段——多道批处理系统

• 每次往内存中读入多道程序
• 操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行

• 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。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

1.3.4 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。

1.3.5 实时操作系统

实时操作系统：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。

实时操作系统又分为硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理；软实时系统：能接受偶尔违反时间规定。

• 主要优点

能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

1.3.6 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。

1.3.7 知识回顾与重要考点

1.4 操作系统的运行机制

预备知识：程序是如何运行的？

“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。

注：很多人习惯把Linux、Windows、MacOS的小黑框中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。本节中的“指令”指二进制机器指令。

• 内核程序VS应用程序

我们普通程序员写的程序就是“应用程序”。微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核（Kernel）”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。

• 特权指令VS非特权指令

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。

• 内核态VS用户态

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。

拓展：CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。

别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态

• 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，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权（除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。）

知识回顾与重要考点

1.5 中断和异常

1.5.1 中断的作用

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，其中操作系统内核程序是整个系统的管理者。

在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序（第二章进程管理相关内容）。

• ”中断“是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。”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。
• 如果没有”中断“机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。既如此，何来”并发“！

1.5.2 中断的类型

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
• 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

内中断的例子：

例子3：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，该指令会引发一个内部中断信号。

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。

外中断的例子：

例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号。当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号。

• 中断的分类

1.5.3 中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用到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去查询”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。

1.5.4 知识回顾与重要考点

1.6 系统调用

1.6.1 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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

1.6.2 系统调用与库函数的区别

普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务

• 不涉及系统调用的库函数：如”取绝对值“的函数
• 涉及系统调用的库函数：如”创建一个新文件“的函数

1.6.3 为什么系统调用是必须的？

• 生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了WPS的打印选项，打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另一位同学按下了Word的打印按钮，开始打印他自己的论文。
• 思考：如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？

两个进程并发运行，打印机设备交替地收到了WPS和Word两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了……

• 解决办法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，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。

1.6.4 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。

• 系统调用（按功能分类）

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

1.6.5 系统调用的过程

• 传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态）-> 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）-> 返回应用程序
• 注意：
  1. 陷入指令（非特权指令）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
  3. 注意别名：陷入指令 = trap指令 = 访管指令

1.6.6 知识回顾与重要考点

• 凡是与共享资源有关的操作、会直接影响到其他进程的操作，就一定需要操作系统介入，就需要通过系统调用来实现。

1.7 操作系统的体系结构

内核是操作系统最基本、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。

注意：

1. 操作系统内核需要运行在内核态
1. 操作系统的非内核功能运行在用户态

• 一个例子

现在，应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理。

注意：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

知识回顾与重要考点

典型的大内核/宏内核/单内核的操作系统：Linux、UNIX

典型的微内核操作系统：Windows NT

1.7.1 分层结构

1.7.2 模块化

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法。

1.8 操作系统引导

1.8.1 操作系统引导（开机过程）

操作系统引导：

1. 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）
2. 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
3. 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
4. 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

例：Windows操作系统的初始化程序

1.9 虚拟机

• 传统的计算机

• 虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（Virtual Machine，VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
• 同义术语：虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/Virtual Machine Monitor/Hypervisor

• 两类虚拟机管理程序（VMM）对比

	第一类VMM	第二类VMM
对物理资源的控制去哪	直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源	运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配物理资源
资源分配方式	在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于”外核“的分配方式，分配未经抽象的物理硬件	Guest OS拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件。Guest OS分配到的内存是虚拟内存
性能	性能更好	性能更差，需要Host OS作为”中介“
可支持的虚拟机数量	更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机	更少，Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源
虚拟机的可迁移性	更差	更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Host OS上，商业化应用更广泛
运行模式	第一类VMM运行在最高特权级（Ring 0），可以执行最高特权的指令	第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核态。Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对Host OS的系统调用