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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。

一、功能和目标

操作系统的作用

• 作为用户与计算机硬件之间的接口
  • 命令接口：允许用户直接使用
    • 联机命令接口
    • 脱机命令接口
  • 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
• 作为系统资源的管理者
  • 提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
  • 目标：安全、高效
• 实现了对计算机资源的抽象

二、操作系统的特征

特征：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。
常考易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

特征：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：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：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)

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-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送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

并发与共享的关系
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。
所以并发和共享是互为存在条件的。

特征：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
• 时分复用：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。

特征：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。

三、操作系统的发展和分类

发展阶段
1.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

2.单道批处理系统

• 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
• 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/0 完成。资源利用率依然很低。

3.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)

4.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。

5.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。

6.其他几种操作系统（了解）
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。

四、操作系统运行机制及层次结构

指令：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。

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

问题：CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令？
两种处理器状态

• 用户态(目态)（内核程序）：此时 CPU 只能执行非特权指令
• 核心态(管态)（应用程序）：特权指令、非特权指令都可执行

操作系统的层次结构

操作系统的层次结构

操作系统的体系结构

分为大内核和微内核

类比：
操作系统的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。
• 微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的。 -些工作。优点是组织结构清晰，方便维护;缺点是效率低。

五、中断和异常

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。

问题：用户态、核心态之间的切换是怎么实现的？
答：“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”的切换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”。

中断的分类

外中断的处理过程

• Step1: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；
• Step 2:如果检测到外部中断信号，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)；
• Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序；
• Step 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。

六、系统调用

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- - 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。

问题：操作系统为什么要提供“系统调用”功能？

比如：打印机的使用。操作系统提供“系统调用”功能，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发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。

什么是系统调用，有何作用？

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，使上层进行系统调用更加方便。 |
| 操作系统 | 向上提供系统调用 |
| 裸机 | |

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“创建一一个新文件”的函数。

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)→返回用户程序注意：

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，从而 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.陷入指令是唯----个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令