操作系统8-1 系统概论
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- 现代操作系统基本的特征是并发、共享、虚拟和异步，其中并发性是最基本的特性。
- 计算机系统的资源分为硬件资源和软件资源，软件资源由程序和数据（代码和数据）组成。
- 从应用的角度，操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是用户和计算机的接口（人机交互接口），同时也是计算机硬件和其他软件的接口。从软件设计和开发角度来看→软件开发基础平台
- 操作系统是位于硬件之上，支撑软件之下的层面。层次关系从下到上：硬件→OS→支撑软件（系统工具、编译程序、数据库管理系统、驱动工具等）→应用软件（微信、Office、游戏等面向用户的程序）
- 在计算机系统中，操作系统作为系统软件，集中了资源管理功能和控制程序执行功能
- 操作系统是计算机系统中的一个系统软件，能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机。“合理”是指操作系统要“公平”对待不同的用户程序，保证系统不发生“死锁”和“饥饿”的现象。
- 实时操作系统是指使计算机能在规定的时间内及时响应外部事件的请求，同时完成对该事件的处理，并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统，实时操作系统主要目标是:在严格的时间范围内，对外部请求作出反应，系统具有高度可靠性。
- 计算系统：软件系统（程序+数据）+硬件系统。软件系统：应用软件+支撑软件+系统软件（操作系统），操作系统是软件系统中的系统软件。
- 在操作系统内部，为了掌握整个计算机系统的硬件和软件资源，设计了各种不同类型的表格和数据结构（例如设置页表），将所有的硬件和软件资源一一加以登记，属于资源管理。
- 共享性是指操作系统程序与多个用户程序共用系统中的各种资源，这种共享性是在操作系统控制下实现的。
- 批处理就是将作业按照它们的性质分组，然后再成组地提交给计算机系统，由计算机自动完成后再输出结果，从而减少作业建立和结束过程中的时间浪费。其缺点是无交互性，用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力，而且是批处理的，作业周转时间长，用户使用不方便。
- 微内核结构：C/S模式
- 组成操作系统的主要部分是存储管理、设备管理、文件管理和进程线程管理。
- 中央处理单元是共享设备+被抢占。共享设备+不可以抢占（独享设备）→打印机
- 操作系统的共享性是指操作系统程序与多个用户程序共用系统中的各种资源，这种共享性并不是随时随地的，而是在一定的策略控制下进行的，按不同资源类型共同占有使用。它分为互斥共享和同时共享两种形式，比如打印机，不同程序只能交替轮流占用它，称为互斥共享;而硬盘则可以由不同程序共同使用，称为同时共享。
- 资源“互斥共享”是指当这资源正在被使用的时候，其他请求该资源的程序必须等待，并且在这个资源被使用完了以后才操作系统根策略在进，中央处理器、存储器的所有进程都是允许不同程序交替轮流占用，可以互斥共享；打印机是互斥共享；可重入代码属于共时互享。CPU、存储器采用分时同时共享；打印机是典型的互斥共享临界资源，多个进程只能排队互斥使用。
- 互斥共享（临界资源）：一段时间内仅允许一个进程访问（需要排队占用），典型设备：打印机、磁带机等独占式外部硬件设备，并非全部外部设备都是独占式。
- 同时共享：多个进程可在同一时间段并发访问，典型资源：CPU、内存（存储器）、可重入代码、磁盘、内核只读模块等。可重入代码（纯代码）：只读、不会被修改的程序代码，多个进程可共享同一段代码副本。
- 外部设备不能一概而论：网卡、显示器属于同时共享；打印机、扫描仪属于互斥共享。
- 可重入代码一定是同时共享，永远不属于互斥共享资源。
- 批处理操作系统的优点有:批量处理用户作业、系统资源利用率高、作业否吐率高，缺点是用户不能直接与计算机交互。
- 操作系统的任务之一是向用户提供各种服务功能，例如向开发人员提供高效的编程接口。
- 从应用角度看，操作系统是一种管理计算机系统资源，控制程序执行，改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。从软件设计和开发的角度看，操作系统是最基本的系统软件,它控制着计算机所有的资源并提供应用程序开发的接口;对于网络攻击者来说，操作系统就成了首先要突破的防线。从扩展角度看，将操作系统功能分成若干层次，每一个层次完成特定的功能，从而构成一个虚拟机。
- 在单处理器环境下，两个程序交替在CPU上运行，具有并发性。并发性是指在计算机系统中同时存在若干个运行着的程序。从宏观上看，这些程序在同时向前推进。从微观上看，在单处理器的环境下，这些同时运行着的程序是交替在中央处理器上运行的。在多处理器系统的环境中，多个程序的并发特征，不仅在宏观上是并发的，而且在微观上，即在处理器一级上，程序也是并发执行的。
- 用一个专门的寄存器来指示处理器状态称为程序状态字(PSW)，其包括的状态位有进位标志位(CF)、结果为零标志位(ZF)、符号标志位(SF)、溢出标志位(OF)、陷阱标志位(TF)、中断使能(中断屏蔽)标志位(IF)、虚拟中断标志位(VIF)、虚拟中断待决标志位(VIP)、IO特权级别(IOPL)。没有【驻留位】
- 用户可见寄存器通常对所有程序都是可用的，由机器语言直接使用。它一般包括数据寄存器、地址寄存器以及条件码寄存器。通用寄存器（用户可见）：数据寄存器、地址寄存器、累加器；控制状态类（用户可见）：PC 程序计数器（轻微争议，一般为 部分可控 的用户可见寄存器）、条件码寄存器 (FLAGS)；CPU 内部专用（用户不可见）：IR 指令寄存器、MAR、MDR、暂存寄存器。
- 用户不可见（透明）寄存器（CPU 硬件内部使用，程序员无法访问）：1指令寄存器 IR：存放当前正在译码执行的指令，完全对用户透明 2 MAR（存储器地址寄存器）、MDR（存储器数据寄存器）、暂存寄存器、微指令寄存器等。
- 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态。前者一般指操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，又称为特权态(特态)、系统态;后者一般指用户程序运行时的状态，具有较低的特权级别，又称为普通态(普态)、用户态。
- 机器处于系统态是可以执行硬件所提供的全部指令，包括特权指令和非特权指令，在系统态时可利用特权指令修改程序状态字转换为用户态（系统态→用户态）。而用户态转换为系统态唯一的途径是访管中断。
- 所谓特权指令是指在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令，这些特权指令是不允许一般的用户使用的。用户只能使用非特权指令，因为只有操作系统才能使用所有的指令(包括特权指令和非特权指令)。 非特权指令：用户和操作系统都可以使用。
- 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态。管态一般指操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，管态时：处理器可以执行全部指令；目态时：处理器只能执行一般指令。
- 打印机是属于互斥共享资源
- 计算机存储体系中，操作系统涉及的存储设备为：寄存器、高速缓存、内存、硬盘。
- 操作系统提供了3类型的接口供用户使用:(1)命令接口:提供一组命令供用户直接或间接操作。根据作业的方式不同，命令接口又分为联机命令接口和脱机命令接口。(2)程序接口:程序接口由一组系统调用命令组成，提供一组系统调用命令供用户程序使用。(3)图形界面接口:通过图标、窗口、菜单、对话框及其他元素,和文字组合,在桌面上形成一个直观易懂，使用方便的计算机操作环境。
- Ubuntu/Windows/UNIX均是操作系统。Linux/BSD/DOS均是操作系统。Ubuntu（乌班图） 是基于 Debian 的开源 Linux 发行版；BSD伯克利软件发行版，同样是类 UNIX 开源操作系统；磁盘操作系统，典型代表 MS-DOS，是早期单用户单任务的字符界面操作系统。
- 层次结构法的优点是，它既具有模块接口法的优点，即把复杂的整体问题分解成若干个比较简单的相对独立，增加了可读性和适应性。但是层次结构法模块功能较单一，且系统规模较大。
- 根据操作系统在用户界面的使用环境和功能特征的不同，操作系统分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统和分布式操作系统。
- 批处理：高吞吐和利用率，无交互；分时：人机交互+公平+方便多用户，但实时性较差+系统开销大；实时：在规定时限（Deadline）内对外部事件做出响应并处理，高可靠性和过载防护 ，但是 较低的吞吐和利用率
- 批处理：批量自动执行多个作业，提高 CPU 利用率；资源利用率高，适合大批量无交互任务；无交互响应慢。
- 分时：划分时间片轮流分给多个用户，同时联机交互使用； 交互性好、多用户同时使用&相互独立；切换开销，无法保证紧急任务限时响应。 分时操作系统具有多路性、交互性、独占性和及时性的特点。多路性:多个用户同时使用一台计算机;交互性:用户根据系统响应的结果提出下一个请求，方便调试程序;独占性:每个用户感觉不到计算机系统为其他人服务，好像整个系统为他个人所独占一样；及时性:系统能够对用户提出的请求作出及时的响应
- 实时：规定时限内快速响应外部事件；响应快、优先级调度；系统吞吐率较低。 实时操作系统是指使计算机能在规定的时间内及时响应外部事件的请求，同时完成对该事件的处理，并能够控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统，它的特点有:在严格的时间范围内，实时响应用户的请求、过载防护和高可靠性。实时的 CPU利用率（偏低）和吞吐率低，实时系统的核心目标是满足截止时间（Deadline），而不是让CPU满负荷运转
- 实时操作系统不以高利用率闻名，它是以牺牲硬件利用率的代价，换取系统的高可靠性和高实时性。
- 嵌入式：控制智能设备完成特定功能。；体积小、功耗低；功能单一，软硬件绑定，可移植性差。
- 分布式：资源共享、多机协同工作；可扩展、容错性强、算力强、负载均衡；依赖网络，系统设计复杂，运维难度大。 分布式操作系统的主要特点有(1)分布式操作系统是一个统一的操作系统;(2)实现资源的深度共享;(3)透明性:用户无需了解系统内本地主机或异地主机的差异;(4)自治性:各个主机关系都处于平等的地位，没有主从关系。分布式操作系统的另一个优势是具有较高的可靠性。
- 按照资源管理的观点，操作系统就是负责记录谁在使用什么样的资源，系统中还有哪些资源空闲，当前响应了谁对资源的请求，以及回收哪些不再使用的资源等。操作系统要提供一些机制去协调程序之间的竞争和同步，提供机制对资源进行合理使用，施加保护，以及采取虚拟技术来扩充“资源等。所以操作系统的主要包括了进程管理、存储管理、文件管理、设备管理和用户接口几个方面。
- 在计算机系统中，硬件和软件资源可以分为以下几部分:中央处理器、存储器(内存和外存)、外部设备和信息(文件)。
- Android是一种基于Limux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。由于其移动设备的特性，其特点就是支持移动应用和支持网络。
- 研究操作系统的观点有多种：软件的观点+资源管理的观点+进程的观点+虚拟机的观点+服务提供者的观点
- 操作系统的种类相当多，可分为批处理系统、分时操作系统、实时操作系统、嵌入式操作系统、个人计算机操作系统、网络操作系统等。
- 微内核（客户 / 服务器）操作系统优点:(高灵活)可扩展、高可靠、易移植、支持分布式、安全性好。微内核采用频繁的消息传递完成进程交互，相比宏内核的系统调用，通信需要多次上下文切换，通信过程并不便捷高效。
- 微内核（客户 / 服务器）内核包含的功能偏少，这是微内核的设计特点/优点，不是缺点。功能少意味着内核更简洁、稳定、易于验证。
- 客户服务器架构下，客户端与服务器之间的频繁通信和数据交换对网络带宽的要求较高，尤其是在处理大量数据或高并发请求时，网络传输消耗的带宽更大，可能导致网络拥堵或延迟。在客户服务器模式中，客户端通常需要通过服务器进行通信和数据交换，客户端之间不能直接进行通信。
- 批处理操作系统的优点有:批量处理用户作业、系统资源利用率高、作业吞吐率高，缺点是用户不能直接与计算机交互。//批处理：批量自动执行多个作业，提高 CPU 利用率；资源利用率高，适合大批量无交互任务；无交互响应慢。
- 批处理系统调度算法的设计目标：较大的吞吐量+较短的周转时间+较高的CPU利用率
- 交互式系统中主机与多客户交互，设计目标：要求响应时间快+各用户体验均衡的性能等
- 分布式操作系统通常要求所有节点运行同一操作系统内核，以实现统一的资源管理和通信协议。
- 资源共享与通信是网络操作系统的基础功能(如NFS、RPC)，不是分布式系统独有特性。
- 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态。前者一般指操作系统管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，又称为特权态(特态)、系统态;后者一般指用户程序运行时的状态，具有较低的特权级别，又称为普通态(普态)、用户态。
- 操作系统的硬件资源：CPU、主存、各类 I/O 设备（键盘鼠标）、设备控制器；软件资源：文件、
进程 - 存储管理（内存管理）主要负责主存（RAM）的分配、回收和保护，具体包括以下 6大类：1 内存空间的分配与回收（动态分区分配算法，如首次适应、最佳适应、最坏适应、伙伴系统；管理内存分配表）；2地址转换/重定位（逻辑地址（虚拟地址）→ 物理地址的转换，依赖MMU（内存管理单元））；内存扩充（虚拟内存）（请求分页/分段、页面置换算法，如LRU、FIFO、Clock，以及覆盖与交换技术；将磁盘上的代码调入内存 是内存扩充（虚拟内存）中的请求调页/调段功能。当程序访问的页面不在内存时，系统会从磁盘（外存）将其调入）；内存保护（界址寄存器、限长寄存器、权限位，防止进程越界访问）；存储共享（多个进程共享内存中的同一代码段或数据区，如共享库）；碎片管理（紧凑/拼接技术解决外部碎片，以及内部碎片）。
- 存储管理只管主存（内存），磁盘空间归文件系统管；进程是CPU的抽象载体，由进程管理模块负责。
- 设备管理是指计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备的管理，比如为用户程序提供系统调用接口、提供缓冲技术、管理通道、网卡等相关的数据结构、提供虚设备技术
openEuler 是由开放原子开源基金会孵化的全场景开源操作系统项目，面向数字基础设施四大核心场景（服务器、云计算、边缘计算、嵌入式），全面支持 ARM、x86、RISC-V、loongArch、PowerPC、SW-64 等多样性计算架构
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