操作系统（更新中）

操作系统第一章—导论

操作系统的概念功能

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;以提供计算机系统中最基本用户和其他软件方便的接口和环境;它是的系统软件。

• 操作系统是系统资源的管理者
• 向上提供方便易用的服务

操作系统的基本特性

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

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。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

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

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。

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一个进程。

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。

通过上述例子来看并发与共享的关系:

使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。

1.两个进程正在并发执行(并发性)

2.需要共享地访问硬盘资源(共享性)

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

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

并发和共享共为存在条件

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。

背景知识:一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

空分复用技术

时分复用技术

如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么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

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。

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。

总结

操作系统的运行机制

知识总览

预备知识

程序是怎样运行的？

“指令”就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令

注:很多人习惯把 Linux、Windows、Macos 的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。本节中的“指令”指二进制机器指令

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

特权指令与非特权指令

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

非特权指令

我们普通程序员写的程序就是“应用程序“

应用程序只能使用“非特权指令” 如:加法指令、减法指令等

特权指令

微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的就是“内核程序”

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
• 甚至可以说，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

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,只允许“管理者”–即操作系统内核来使用

内核态与用户态

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

拓展: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

除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

总结

中断和异常

中断的作用

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

• 在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序，但是如果操作系统内核想夺回CPU使用权，只能通过”中断“实现
• 如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，就没有并发一说了。

中断的类型

中断可分为内中断和外中断

• 内终端
  • 与当前执行的指令有关，中断信号的来自CPU内部
  • 也称异常、例外
• 外中断
  • 与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部
  • 称为中断（狭义的中断）

中断例子

• 内中断
  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（就是程序写错了）

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。

总结

系统调用

概念介绍

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。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

小例子：为什么系统调用是必须的？

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，会发生什么情况?

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，结果两篇论文的内容混杂在一起了….

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。

什么功能要用到系统调用?

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而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/0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

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:

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，使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

总结

操作系统的内核

操作系统内核需要运行在内核态

操作系统的非内核功能运行在用户态

操作系统的体系结构

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

总结

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

操作系统体系结构

分层：

宏内核、微内核：

外核：

操作系统引导（Boot）

操作系统引导:

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)并执行，完成“开机”的一系列动作

虚拟机

传统计算机

虚拟机

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

同义术语:虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/irtual Machine Monitor/Hypervisor

操作系统第二章—进程管理

进程

程序和进程

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。

进程（Process）的概念：是动态的，是程序的一次执行过程。同一程序多次执行会对应多个进程。

进程的定义

1. 进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。（我们就把进程看作进程实体，目前我们不需要作为区分）
2. 进程是动态的，进程实体是静态的；进程实体反应了进程某一时刻的状态就像视频中的一帧。
3. 进程，’‘用进程实体（进程映像）更准确’‘：由PCB，程序段（代码：指令序列），数据段（运行过程中产生当各种数据）。其中PCB是给操作系统用的，程序段和数据段是给进程自己用的。
   • 操作系统对进程进行管理工作所需的信息都存在PCB中。
   • PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB。
   • 进程控制块（PCB）：
     • 进程描述信息（PID，UID）
     • 进程控制和管理信息（CPU、磁盘、网络流量；进程当前状态：就绪态阻塞态/运行态）
     • 资源分配清单（正在使用哪些文件，I/O，内存）
     • 处理机相关信息（PSW各种寄存器用于实现进程切换）
   • PID：当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证号”。
   • ID（UID）：基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程。

通过任务管理器我们可以发现每个进程不仅仅只有cpu内存磁盘的占用率也是有唯一用来表示进程的PID（process id）

程序运行的过程

进程的特征

总结

进程的状态和转化、组织

状态

进程是程序的一次执行。在这个执行中，进程的状态有各种变化。为了方便进程管理，把进程分为了，运行态，就绪态，阻塞态、创建态、终止态五种状态。

• 创建态：系统创建进程，操作系统给进程分配系统资源、PCB等等
• 就绪态：已经具备运行条件，等待空闲的CPU，进行调用
• 运行态：当CPU处于空闲阶段就会在就绪态的进程里面选择一个进行执行，也就是把CPU占据进入了运行态，一核的CPU就只可以一次运行一个进程，多少核的CPU可以有多少个进程处于运行态
• 阻塞态：因为某个事件而暂时不可用运行
• 终止态：运行进程从CPU撤销，操作系统就会回收资源、撤销PCB

转化

进程的组织

组织也就是调用的方式

链式（最常用）

索引（了解即可）

总结

进程控制

进程控制的含义：进程控制就是要用来实现进程状态的转化的

进程控制的实现：进程控制由原语实现。所谓原语，一般是指由若干条指令组成的程序段，用来实现某个特定功能，在执行过程中不可被中断。原语采用 “关中断指令” 和 “开中断指令” 来实现。 注意： 原语运行在核心态。

运行环境信息就是下边CPU的PSW PC IR等等里边的数据。

总结