🌷 一、操作系统的概念

1、定义

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，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

2、功能 和 目标

🔴 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？

🔴 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（用户接口）？

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

系统调用=系统调用命令=广义指令

🔴 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？

➢ 目标：实现对硬件机器的拓展
➢没有任何软件支持的计算机称为裸机。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称为扩充机器，又称为虚拟机

🌷 二、操作系统的特征

1、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。
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
• 当今的计算机，一般都是多核 CPU，如果是四核 CPU 就意味着同一时刻可以有 4个程序并行执行，但是操作系统的并发性依然必不可少

2、 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
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
• 如果失去并发性，则共享性失去存在的意义，反之也是如此。所以并发性和共享性是互为存在条件
  并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

3、 虚拟

是指把一个物理上的实体映射为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。

4、 不确定性

（1）程序执行结果不确定，程序执行结果不能再现
（2）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，这就是进程的一部性操作系统的发展与分类

🌷 三、操作系统的发展与分类

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

2、 批处理阶段

引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入、输出
① 单道批处理系统

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
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

② 多道批处理系统

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
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）

3、 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
特点：

• ① 同时性。若干用户可以同时操作，共同使用同一系统资源
• ② 独立性。每个用户都有一种“独占感”
• ③ 及时性。用户的请求能得到及时响应
• ④ 交互性。

优点：用户请求可以立即被即时响应，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
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，寻欢地 为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性

4、 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

特点：

• ① 实时时钟管理
• ② 连续人机对话
• ③ 过载的防护
• ④ 高可靠性

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

5、 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，实现数据传送功能，实现网络中各种资源的共享和各台计算机之间的通信

6、 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

7、 个人计算机操作系统

🌷 三、操作系统的运行机制与体系结构

1、 运行机制

• （1）两种指令

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

• （2） 两种处理器状态：用标志位标识状态

① 用户态（目态）：此时 CPU 只能执行非特权指令
② 核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可执行

• （3） 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
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

2、 操作系统内核

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

3、 操作系统的体系结构

4、 传统的操作系统结构设计模式

• （1） 整体式结构设计模式

① 整体式模式是把操作系统组织成一个过程（模块）集合。任一个过程可以调用其它 过程。整体式模式也称为单块式模式，其方法称为模块组合法。
② 特点： ➢ 不强调信息的隐蔽，即每个过程对其它过程是可见的。 ➢ 系统中每个过程都有一个定义完好的接口，包括入口参数和返回值，而且过程之间的调用不受任何约束
③ 缺点：扩充这类系统是困难的，因为修改一个过程可能导致系统若干过程的修改，会产生看起来与系统无关的错误，操作系统的正确性难以保证

• （2） 层次式结构设计模式

① 层次式方法是把操作系统划分为若干层，每一层有若干模块。每个模块提供一组可被其他模块调用的功能。在任一特定层次上的代码只能调用较低层次上的代码。
② 优点：把模块间的复杂依赖关系转化为单向依赖关系，即高层软件依赖低层软件，而低层软件不依赖高层软件。这给维护和调试操作系统的工作带来了方便。

5、 现代的操作系统结构设计模式

（1） 客户/服务器模式
① 把操作系统划分为若干进程，其中每个进程实现单独的一套服务（功能）

② 优点
➢ 简化了基本操作系统
➢ 提高了可靠性
➢ 适合分布式计算环境
（2） 对象模式
（3） 对称多处理模式

🌷 四、中断和异常

1、 中断机制的诞生

早期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：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
应用：在用户态时当 CPU 收到计时部件发出的中断信号，切换为核心态对终端进行处
理，操作系统内核负责对中断信号进行处理。处理完毕后切换为用户态

2、 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允许，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）需要特权指令，因此 CPU 要从用户态转为核心态。
中断可以使 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
用户态→核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一途径
核心态→用户态是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”

3、 中断的分类

① 内中断（也称为异常）
② 外中断

③ 另一种分类

4、 外中断的处理过程

🌷 五、系统调用

1、 什么是系统调用以及作用

➢ 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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
➢ 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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
➢ 系统调用会使处理器从用户态进入核心态

2、 系统调用和库函数的区别

3、 系统调用背后的过程

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

• 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，从而 CPU 进入核心态
• 发出系统调用的请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
• 陷入指令是唯一一个在用户态执行，而不可在核心态执行的指令