一、操作系统概述

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一、操作系统概述

1.1.1 操作系统的概念

1.1.2 操作系统的功能和目标

1.1.3 操作系统的特征

1.2 操作系统的发展与分类

1.3.1 操作系统的运行机制

1.3.2 中断和异常

1.3.3 系统调用

1.4 操作系统体系结构

1.5 操作系统引导

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1.6 虚拟机

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1.1.1 操作系统的概念

操作系统（OperatingSystem,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。

1.1.2 操作系统的功能和目标

计算机系统的层次结构

1.系统资源的管理者

功能：文件管理、存储器管理、处理机管理、设备管理

目标：安全、高效

eg. 用QQ和朋友视频聊天

步骤1：在各个文件夹中找到QQ安装的位置——找

逐层打开文件夹，找到QQ.exe的存放位置（文件管理）

步骤2：双击打开QQ.exe——存
执行一个程序前需要将该程序相关数据放入内存，才能被CPU处理（存储器管理）

步骤3：QQ程序正常运行——运行

对应的进程被处理机（CPU）处理（处理机管理）

步骤4：开始和朋友视频聊天——用

需要将摄像头设备分配给进程（设备管理）

2.向上层提供方便易用的服务——封装思想：用户无需关注底层硬件原理，只对操作系统发出命令即可。

服务：

图形化用户接口（GUI,Graphical User Interface）

联机命令接口/交互式命令接口

特点：用户说一句，系统做一句

脱机命令接口/批处理命令接口

特点：用户说一堆一句，系统跟着做一堆

以上三种用户均可直接使用。

程序接口：可以在程序中进行系统调用/广义指令来使用程序接口。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。

其中，命令接口和程序接口可以统称为“用户接口”。

3.最近硬件的一层软件

功能：实现对硬件机器的拓展。

裸机（没有任何软件支持的计算机） + 操作系统 = 扩充机器/虚拟机

1.1.3 操作系统的特征

特征：并发、共享、虚拟、异步

其中并发和共享是操作系统两个最基本的特征，二者互为存在条件。

1.并发

并发与并行

并发：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。

并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生。

操作系统的并发性：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。

ps.

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。

例如，4核CPU意味着可以并行地执行4个程序

即使是对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。

2.共享
共享：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。

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。例如，摄像头。

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。例如，使用不同软件发送不同文件，即多个进程同时访问硬盘；扬声器。

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）。

3.虚拟

虚拟：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。

例如，虚拟存储器技术——空分复用技术（切分空间，用户感知的空间大于实际空间）；虚拟处理器技术——时分空复用技术（切分时间，单核感觉像多核）。

4.异步

异步：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。

操作系统提供“进程同步机制”来解决并发进程的异步性带来的问题。

1.2 操作系统的发展与分类

手工操作阶段——无系统

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。

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

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）

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

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。

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。

分类

硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理。例如，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。例如，12306。

其他

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。

个人计算机操作系统：如Windows XP、MacOS，方便个人使用。

1.3.1 操作系统的运行机制

预备知识：程序如何运行？

高级语言（代码）->（编译器，翻译）机器指令（二进制）

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令，“指令”是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。程序运行的过程是CPU执行一条一条的机器指令的过程。

内核程序、应用程序

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。操作系统的功能未必都在内核中。

特权指令、非特权指令

应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

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，只统许“管理者”——即操作系统内核来使用。

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、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。

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。（触发中断信号：非法使用特权指令。但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号 ）

1.3.2 中断和异常

中断的作用

“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。

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

中断的类型

 内中断/异常/例外：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。

例如，试图在用户态下执行特权指令；

执行除法指令时发现除数为0；

有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特的指令——陷入指令（非特权指令），该指令会引发一个内部中断信号。

外中断/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后，CPU都会例行检查是否有外中断信号。

例如，时钟中断——由时钟部件发来的中断信号；

I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号。

异常的分类

1.陷阱、陷入（trap）

由陷入指令引发，是应用程序故意引发的。

2.故障（fault）

由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。

3.终止（abort）

由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：整数除0、非法使用特权指令。

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。

1.3.3 系统调用

系统调用：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。

系统调用与库函数的区别

系统调用的必须性

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

解决方法：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。

系统调用（按功能分类）

设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理

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。

系统调用的过程

应用程序（高级语言视角）调用库函数（内部封装了系统调用的复杂细节）->（编译）

应用程序（机器语言视角，用户态）前期处理相关指令、传参指令（将系统调用需要的参数放到某些通用寄存器中。指明系统调用类型，如"fork"）、陷入指令/trap指令/访管指令、后续处理相关指令 -> CPU

-> 系统调用入口程序（根据寄存器中的参数判断用户需要的系统调用服务）

-> fork系统调用的处理程序

-> 返回

1.4 操作系统体系结构

操作系统的内核

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程序就是内核程序。

操作系统分为内核功能

对系统资源管理的功能（这些管理工作更多的是对数据结构的操作操伦，不会直接涉及硬件）：进程管理、存储器管理、设备管理

与硬件关联最紧密的模块：时钟管理（利用时钟中断实现计时功能）、中断处理、原语（设备驱动、CPU切换等。原语是一种特殊的程序，具有原子性）

和非内核功能（GUI）

两种体系结构

大内核/宏内核/单内核：内核中含系统资源管理功能和与硬件关联最紧密的模块。

微内核：内核中只含与硬件关联最紧密的模块。即系统资源管理功能为非内核功能。

非内核功能运行在用户态。

不同体系结构对操作系统性能的影响

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。

各种体系结构

大内核/宏内核

所有的系统功能都放在内核里（大内核结构的OS通常也采用了“模块化”的设计思想）

优点：性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用。

缺点：内核庞大功能复杂，难以维护；

大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃。

微内核

优点：内核小功能少、易于维护，内核可靠性高；

内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃。

缺点：性能低，需要频繁的切换用户态/核心态；

用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的"消息传递"来间接通信。

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。

“变态”的正规术语：CPU状态的转换

分层结构

内核分多层，最底层是硬件，最高层是用户接口，每层可单向调用更低一层提供的接口。

优点：便于调试和验证，自底向上逐层调试验证；

易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定。

缺点：仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界；

效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。

模块化

将内核划分为多个模块，各模块之间互相协作。

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。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。

内核 = 主模块 + 可加载内核模块

主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理

可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核

优点：模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发；

支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强
OS适应性；

任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高。

缺点：模块间的接口定义未必合理、实用；

模块间相互依赖，更难调试和验证。

外核

内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全。

优点：外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源；

减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率。

缺点：降低了系统的一致性；

使系统变得复杂。 

1.5 操作系统引导

操作系统引导（开机过程）

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，例如Windows系统 C:/Windows/Boot）并执行，完成“开机”的一系列动作

1.6 虚拟机

传统计算机

可能会导致对硬件资源利用不充分，运行多个进程可能相互影响、有安全隐患。

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。

虚拟机管理程序 / 虚拟机监控程序/ Virtual Machine Monitor（VMM）/ Hypervisor

第一类VMM

第二类VMM

两类VMM对比

	第一类VMM	第二类VMM
对物理资源的控制权	直接运行在硬件上，能直接控制和分配物理资源	运行在Host OS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VM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VM	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
VM的可迁移性	更差	更好，只需导出VM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