操作系统-Part1

操作系统-Part1——计算机系统概述

[TOC]

操作系统的概念、功能

定义

• 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。
  • 操作系统是系统资源的管理者
  • 向上层提供方便易用的服务
  • 是最接近硬件的一层软件

功能和目标

• 作为系统资源的管理者
  • 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
• 向上层提供方便易用的服务
  • 封装：操作系统把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
  • 实例：
    • 直接给用户使用
      • GUI（Graphical User Interface）：图形化用户接口
      • 命令接口
        • 联机命令接口（交互式命令接口）
        • 脱机命令接口（批处理命令接口）
    • 给软件/程序员使用
      • 程序接口：系统调用（广义指令）是应用程序请求操作系统服务的唯一方式
  • 其中，命令接口与程序接口，统称为用户接口（狭义的用户接口不包括 GUI）
• 作为最接近硬件的层次
  • 目标：实现对硬件机器的拓展
    • 使单纯的硬件组合起来以获得更强的功能
  • 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

操作系统的特征

考点：

• 并发和并行的区别
• 并发和共享互为存在条件
• 并发和共享是操作系统的两个最基本的特征（没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步）

基本特征

• 操作系统的特征
  • 并发
  • 共享
  • 虚拟
  • 异步
• 其中，并发和共享是两个最基本的特征，二者互为条件（重点）。

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。

• 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，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。

• 只要有超过可并行数量的程序需要同时运行，那么并发性就是必不可少的。所以，并发性是操作系统一个最基本的特性。

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。
• 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（分时共享）
  • 微观上交替，例：多个进程交替访问硬盘
  • 也有可能是宏观上也为同时，例：多个进程同时使用扬声器

并发和共享的关系：

• 两个进程正在并发执行（并发性）
  • 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
• 需要共享地访问硬盘资源（共享性）
  • 如果失去共享性，则 QQ 和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

虚拟

• 虚拟：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。
• 虚拟技术：
  • 空分复用技术
    • 如虚拟存储器技术：运行程序的大小远超实际内存
  • 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
    • 如虚拟处理器技术：实际只有单核，但是用户看来有多核 CPU 在工作

如果失去了并发性，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

• 进程的异步性：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，进程的执行只能以不可预知的速度向前推进。
• 并发运行的程序会争抢使用系统资源，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，向前推进的速度是不可预知的

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。

操作系统的发展与分类

发展阶段

• 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
    • 通过外围机把程序（纸带）提前存到磁带里，主机则读写磁带信息
    • 监督程序是操作系统的雏形
  • 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。

• 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）

• 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。
  • 分类：
    • 硬实时系统：必须在绝对严格的时间内完成处理（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）

• 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。

操作系统的运行机制（考点）

内核程序 v.s. 应用程序

• 普通程序员写的程序是“应用程序”
• 操作系统程序员写的是“内核程序”
  • 由多个内核程序组成了“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
  • 其实，一个操作系统只要有内核就够了（eg：Docker -> 仅需 Linux 内核）
  • 操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI

特权指令 v.s. 非特权指令

• 应用程序：只能使用“非特权指令”，如：加法、减法指令等

• 内核程序：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。

• 在 CPU 设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此 CPU 执行一条指令前就能判断出其类型

内核态 v.s. 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
  • 内核态=核心态=管态；用户态=目态
  • 这两种状态由 PSW 中的一个二进制位表示
• 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，由硬件完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回 CPU 的使用权
    • 除非法使用特权指令外，还有很多事件需要让操作系统夺回 CPU 使用权。它们的共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

中断和异常（考点）

中断的作用

• 中断是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径
• 没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发

中断的类型

• 内中断（异常）
  • 与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部
  • 特权指令：试图在用户态下执行特权指令
  • 非法指令：如，除零运算
  • 陷入指令：应用程序主动将控制权交给操作系统，常用于请求操作系统的服务（系统调用），该指令将引发一个内部中断信号
    • 陷入指令 = trap 指令 = 访管指令
• 外中断
  • 与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部
  • 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
  • 时钟中断：由时钟部件发来的中断信号。用于实现多道程序并发运行
  • I/O 中断：由输入/输出设备发来的中断信号
• 中断的分类
  • 
  • 大多数的教材、试卷中，“中断”特指狭义的中断，即外中断。而内中断一般称为“异常”

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。
• 中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”

系统调用（考点）

基本概念

• 操作系统作向上提供的服务中，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）使用的接口，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 v.s. 库函数

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

系统调用的必需性

• 针对问题：对于互斥共享的资源，各个程序不能同时使用
• 解决方案：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。

什么功能需要系统调用

• 
• 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。

系统调用的过程

• 
• 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：
  • 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
  • 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

操作系统的体系结构

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。
• 

大内核与微内核

• 通过对内核功能的划分（是否包含对系统资源的管理），可以分为大内核/单内核/宏内核和微内核

  • 典型的 大内核/宏内核/单内核 操作系统： Linux、UNIX
  • 典型的 微内核 操作系统： Windows NT

• 注意：

  • 操作系统内核功能运行在内核态

  • 操作系统非内核功能运行在用户态

  • 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

• 

习题课

1.1.4

1. 软件分类

   • 按软件的用户群体分类
     • 通用软件：普通大众都会使用的（如Office、迅雷）
     • 专用软件：某些领域的专业人士使用的（如AutoCAD Logic Pro）
   • 按照软件在计算机内的角色分类
     • 系统软件：操作系统、数据库管理程序（DBMS）、语言处理程序（编译、汇编）、服务性程序（装入程序）、标准库程序（printf）
     • 应用软件：微信、Office

2. 操作系统既管理软件，也管理硬件（可以从任务管理器看出）

   • 软件 vs 应用程序：软件 = 程序 + 其他相关文件
   • eg：一个游戏软件包括程序（.exe）和其它图片（.bmp等）、音效（.wav等）等附件，那么这个程序（.exe）称作应用程序，而它与其他文件（图片、音效等）在一起合称软件
   • 操作系统管理计算机资源
     • 软件、硬件、文件都属于计算机资源
     • 若只给出软件、硬件，则依然不如计算机资源更全面，不正确

3. 源代码属于文件。但是操作系统关心的是文件的结构与组织，而不是文件内容。

4. 界面 = 接口 = Interface

   • 操作系统提供给用户程序使用的接口：系统调用
   • 操作系统提供给用户直接使用的接口：命令接口、GUl

5. 发展历程：

   • 1950 年代早期第一个操作系统诞生（批处理操作系统）
     • 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。
     • 管理和控制计算机资源，更加基本
     • 其他三个选项可以说是应用程序提供的功能
   • 后来才支持用户交互
   • 1970 年代早期，第一个 GUI 诞生
   • 1983 年互联网诞生

6. 并发和共享互为存在条件；并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

7. 并发：宏观上同时，微观上交替发生。并行：微观上同时发生。

   • 并发不没有严格规定要在同一时间间隔内发生，彼此发生间隔不同也是可以的
   • 但是其他选项更不对

8. 单处理机 = 单核 CPU。不可能并发执行多个程序

9. 

10. 系统调用是操作系统为应用程序使用内核功能所提供的的接口。

11. 请求系统服务：更为概括的描述

    中止系统服务：如 Linux 中的 exit 系统调用请求中止进程

    申请系统资源：如 open 系统调用，可请求打开一个文件或 IO 设备

    释放系统资源：如 close 系统调用，可请求关闭一个文件或 IO 设备

12. 系统调用，文件 I/O 需要在内核态运行。

13. Shell：即 Unix、Linux 的命令接口

    命令解释器：解释用户在“小黑框”输入的命令，如：cd、ls 等

    广义指令：即系统调用

    缓存管理：对用户不可见，由操作系统负责

14. 制约性：程序的执行因为共享资源而相互制约

    间断性：一个程序的执行是走走停停的

    顺序性：各个程序按顺序依次执行

    • 顺序性是单道程序设计的基本特征
    • 自从引入多道程序设计之后，程序的执行就失去了封闭性和顺序性

    共享性：多道程序共享资源

15. OS 管理资源：后序章节会有体会

    OS 管理用户程序执行：第二章，处理机管理

    OS 使系统资源提高效率：各种调度算法

    用来编程的程序：eclipse、IntelliJ IDEA、VS …

16. 

1.2.7

1. 手工操作时期，纸带机是要在主机的控制之下才能读写数据，因此是用户独占全机。

   • 因此，脱机技术主要解决的独占设备问题

   多道程序技术，则是让多个程序共享主机的资源，因此相比单道程序设计提高了单机资源利用率。

   • 因此，多道程序技术主要提高单机资源利用率

   复习：

   1. 脱机技术――脱离主机的控制，提前将作业数据输入/输出到磁带，用于缓和I/O设备与主机之间的速度矛盾。
   2. 假脱机技术――将独占设备改造为共享设备。
   3. 虚拟技术――如虚拟内存技术，可增加并发度。
   4. 交换技术――增加并发度。将在第三章学习

2. 手工 -> 批处理 -> 分时 -> 实时 -> PC

3. 同 1.1.4 的 14 题

4. 解析：

   • 手工阶段不存在操作系统，直到批处理的多道程序设计引入中断技术，操作系统才诞生。

   • 分时操作系统开始才支持人机交互。

   • 军工领域对实时的要求很高，才产生了实时操作系统。

   • PC 操作系统更多在强调应用场景，而不是分时/实时。

   • 如果需要与时俱进，则再加上分布式操作系统

5. 

6. 单道程序系统：内存中最多只有一道作业，作业之间是串行执行的。若当前作业等待 I/O，则 CPU 闲置等待。

   多道程序系统：内存中有多道作业，作业之间并发执行。若当前作业等待 I/O，则 CPU 转而处理另一道作业。

7. 被控对象规定时间

8. 先来先服务：早期的单道批处理系统

   时间片轮转：分时操作系统

   抢占式的优先级高者优先：实时操作系统

   高响应比优先：常用于多道程序系统中的作业调度

9. 实时操作系统的主要特点：及时性、可靠性。

   资源利用率高是实时操作系统需要避免的。

10. 要求实时：交易、机床硬件、军工