操作系统

操作系统基本概念

计算机系统分为硬件，操作系统，应用程序，用户。操作系统管理各种计算机硬件，为应用程序提供基础，充当计算机硬件与用户之间的中介。
操作系统控制和协调各用户的应用程序对硬件的分配和使用。是计算机系统中最基本的系统软件。

1. 操作系统的特征

• 并发
  并发是多个事件在同一时间间隔内发生，计算机系统中同时存在多个运行着的程序，具有处理和调度多个程序同时执行的能力。引入进程的目的就是为了使的程序能够并发执行。
  微观上并发程序还是在交替的分时执行，操作系统的并发性是通过分时来实现的。
  但是并行性是指系统具有可以同时进行运算或者操作的特性，在同一时刻完成两种或者两种以上的工作，需要有相关硬件的支持。
  可以联想自己写的并行程序是要在多个计算机上运行的，而如果在一台计算机上，它也只能是分时运行的。

• 共享
  资源共享，指系统中的资源可以供内存中多个并发执行的进程共同使用。

  • 互斥共享方式
    一段时间内只允许一个进程访问该资源，一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或者独占资源。
  • 同时访问方式
    同时只是宏观上的，微观上，进程还是交替的对资源进行访问，即分时共享。同时访问的共享，一个请求分几个时间片段间隔完成的效果，与连续完成的效果相同。

  并发和共享是操作系统两个最基本的特征。

• 虚拟
  将物理实体变成逻辑上的对应物，虚拟处理器，虚拟内存，虚拟外部设备。
  利用多道程序设计技术，把一个物理上的CPU虚拟成多个逻辑上的CPU，称为虚拟处理器。
  将一台计算机的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。
  虚拟设备技术，将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可以使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备，临界资源，变成在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。

• 异步
  多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但是资源有限，进程的执行并不是一贯到底，而是以不可知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

2. 操作系统的特征和目标
   处理机管理，存储器管理，设备管理，文件管理。

• 处理机管理
  处理机的分配和运行以进程为基本单位，因此处理机管理可以归结为进程管理。进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理机调度。
• 存储器管理
  方便用户使用以及提高内存使用率，内存分配，地址映射，内存保护与共享，内存扩充。
• 文件管理
  文件存储空间的管理，目录管理，文件读写管理和保护。
• 设备管理
  提高设备利用率，完成用户的I/O请求，缓冲管理，设备分配，设备处理，虚拟设备。

3. 操作系统为用户与计算机硬件系统间提供了接口
   用户接口分为两类：

• 命令接口
  用操作命令来组织和控制作业执行
  • 联机控制
    交互式命令接口，分时或者实时系统
  • 脱机控制
    批处理命令接口，适用于批处理系统，一组作业控制命令。
• 程序接口
  程序接口由一组系统调用命令组成，用户在程序中使用这些系统调用命令来请求操作系统为其服务，程序中用户可以直接使用这组系统调用命令。
  图形用户界面，图形接口，也是调用程序接口实现的。

Tips:

1. 系统软件包括，操作系统，数据库管理软件，语言处理程序，服务性程序，标准库程序
2. 系统调用是操作系统提供给应用程序使用内核功能的一个接口。
3. 库函数是高级语言提供的与系统调用对应的函数，但是有些库函数与系统调用无关。
4. 文件I/O需要在内核态运行。
5. 操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。
6. 多道程序设计失去了封闭性和顺序性，顺序性是单道程序设计的基本特征。
7. 不使用系统调用的库函数，效率高，因为不存在上下文的转换以及状态转换，用户态转换成核心态。
8. 通道是独立于CPU的控制输入输出的设备，与CPU可以并行。

操作系统的发展

1. 手工操作
2. 批处理阶段

• 单道批处理系统
  顺序性，每次主机内存中存放一道作业，运行期间发出输入输出请求的时候，高速CPU就处于等待低速I/O完成状态。
• 多道批处理系统
  多道，宏观上并行，微观上串行，内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行。响应时间长，不能人机交互。

3. 分时操作系统
   分时操作系统是多个用户通过终端同时共享一台主机，多道批处理是实现作业自动控制而无需人工干预的系统，分时系统是实现人机交互的系统。
4. 实时操作系统

• 硬实时系统
  动作必须绝对的在某个时刻发生
• 软实时系统
  某个特定的动作在规定的时间完成，如果偶尔违反也不会产生永久性损害。

严格的时间限制内完成处理时间，主要特定是及时性和可靠性。

5. 网络操作系统和分布式计算机系统
   网络中各种资源的共享以及各台计算机之间的通信
   分布式系统主要特点是分布性和并行性，若干台计算机相互协同完成一个任务。

Tips:

1. 虚拟和交换技术以多道程序设计技术为前提
2. 实时系统普遍用高优先级，并且用可抢占来确保实时处理。
3. 要求快速响应用户是导致分时系统出现的原因。

操作系统的运行环境

特权指令：计算机中不允许用户直接使用的指令，I/O指令，置中断指令，存取用于内存保护的寄存器，送程序状态字到程序状态字寄存器等指令。操作系统在具体实现上分了用户态(目态)和核心态(管态)。
操作系统采用了层次式的设计结构，与硬件关联紧密的模块，时钟管理，中断处理，设备驱动等处于最底层，其次是运行频率较高的程序，进程管理，存储器管理，设备管理。这两部分构成了操作系统的内核。

1. 操作系统的运行
   内核是计算机上配置的底层软件。

• 时钟管理
  第一功能是计时，另外通过时钟中断管理，可以实现进程的切换。
• 中断机制
  初衷是提高多道程序运行环境中的CPU利用率，主要针对外部设备。键盘鼠标的输入，进程管理和调度，系统功能调用，设备驱动，文件访问。现代操作系统是靠中断驱动的软件。
  中断机制中，小部分功能属于内核，负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相应的处理程序，减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。
• 原语
  底层是一些可以被调用的公用小程序，各自完成一个规定的操作。
  最接近硬件的部分，程序运行具有原子性，运行时间短，调用频繁。
  具有这些特点的程序称为原语，定义原语的直接方法是关闭中断，让它所有动作不可分割的进行完再打开中断。系统中设备驱动，CPU切换，进程通信等功能部分操作定义为原语，使他们称为内核的组成部分。
• 系统控制的数据结构及处理
  进程管理，存储器管理，设备管理

核心态指令实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟，中断和原语的操作指令。

2. 中断和异常
   用户态和核心态的切换，从用户态进入核心态需要进行中断或者异常，中断或者异常发生时，运行用户态的CPU会立即进入核心态，这是通过硬件实现的。
   提高资源利用率需要在程序没有使用某种资源的时候，把它对那种资源的占有权释放，这个行为，就需要中断实现。

• 中断
  外中断，来自CPU执行指令之外的事件发生，设备发出的I/O结束中断，时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时，启动定时运行任务等。这一类中断是与当前程序运行无关的事件。
• 异常
  内中断，例外，陷入，源自CPU执行指令内部的事件，程序非法操作，地址越界，算术溢出，异常处理一般要依赖于当前程序的运行现场，异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。

3. 系统调用
   操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口，命令接口和程序接口，程序接口就是系统调用。
   用户在程序中调用操作系统提供的子功能，特殊的公共子程序。
   在用户程序中，凡是与资源有关的操作，存储分配，进行I/O传输，以及管理文件，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求。
   系统调用运行在系统的核心态，系统调用命令是由操作系统提供的一个或者多个子程序模块实现的。
   用户通过操作系统运行上层程序，这个上层程序依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，需要管理程序服务时候，系统通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序。也可能是程序运行出现异常，被动需要管理程序的服务，通过异常处理进入核心态，管理程序运行结束的时候，通过相应的保存程序现场退出中断处理程序或者异常处理程序，返回断点继续执行。
   关心的是系统核心态和用户态的软件实现和切换。
   从核心态转向用户态由一条指令实现，也是特权指令，一般是中断返回指令。
   用户态进入核心态，不仅状态需要切换，堆栈也需要从用户堆栈切换为系统堆栈，系统堆栈是属于该进程的。
   程序运行从用户态转到核心态，用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以不可能是特权指令。

Tips:

1. 用户程序在用户态下要使用特权指令引起的中断属于访管中断。
2. 只能在核心态下运行的指令是置时钟指令。
3. 广义指令就是系统调用命令，只能在核心态下执行。