重学操作系统(一)操作系统概述

1. 操作系统的概述

1.1 操作系统的定义

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，并合理地的组织调度计算机软件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，他是计算机系统中最基本的系统软件。

1.2 操作系统的功能和目标

1.2.1 操作系统作为系统资源的管理者

进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

1.2.2 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口

系统调用=系统调用命令=广义指令。

1.2.3 操作系统作为最接近硬件的层次

1.2.4 小结

1.3 操作系统的特征

1.3.1 并发

并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，在微观上是交替发生，而并行则指同一时刻能运行多个指令。

一个单核处理级（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来像是在同时执行），事实上，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。

并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。

操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。

1.3.2 共享

共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。

有两种共享方式：互斥共享和同时共享。

互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时刻只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。

1.3.3 并发和共享的联系

1.3.4 虚拟

虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。

主要有两种虚拟技术：时（时间）分复用技术和空（空间）分复用技术。

多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占用处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。

虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。

1.3.5 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，程序不是一次性执行完毕，而是走走停停，以不可知的速度向前推进。

1.3.6 小结

1.4 操作系统的发展与分类

1.4.1 手工处理阶段

1.4.2 批处理阶段

为什么在多道批处理器能够提升资源的利用率？

可以看到输入、计算和输出，可以并行的处理，这也就是资源利用率大幅度提升的原因。

1.4.3 分时操作系统

1…4.4 实时操作系统

实时操作系统，主要优点就是：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机系统收到外部信号后及时处理，并且要在严格的时间限内处理完事件。实时操作系统的主要特点就是及时性和可靠性。

1.4.5 小结

1.5 操作系统的运行机制和体系结构

1.5.1 运行机制

1.5.1.1 两种指令

简单来说，指令就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本的命令。

特权指令，就是不允许用户程序使用的。那CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？接着往下看。

1.5.1.2 两种处理器状态

1.5.1.3 两种程序

有的程序需要使用特权指令，而有的程序不需要使用特权指令，所以计算机又把这两种程序分为：内核程序和应用程序。

1.5.1.4 小结

那么操作系统中的那些功能应该由内核程序实现呢？

这实际上就引出了操作系统内核的概念

1.5.2 操作系统的内核

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。实现操作系统系统内核功能的那些程序就是内核程序。

1.5.3 操作系统的体系结构

对于不同的操作系统，它们的内核功能的划分是不同的。比如：

类比：

操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。

内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态和核心态的切换相当于普通员工和管理层的之间的工作交接。

大内核：相当于企业的初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。有点就是效率高，缺点就是组织结构混乱，难以维护。

微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责一些最核心的一些工作。优点就是组织结构清晰，方便维护；缺点就是效率低。

小结：

1.6 中断和异常

1.6.1 中断机制的诞生

由于早起的计算机，各程序的只能串行执行，系统的资源的利用率特别的低。为了解决这样的问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入了中断的机制，实现了多道程序并发的执行。

本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

比如多道程序同时处理多项工作，各种程序并发的执行，程序刚开始进程1在用户态下工作，运行了一段时间之后，CPU收到计时部件发出的中断信号，来通知**CPU**已经过了一个时间片了，就立即切换为核心态对中断进行处理。

此时机会把CPU的使用权交给操作系统，操作系统内核就会对刚才的中断信号进行处理。

操作系统发现刚才对中断信号处理完了，时间片已到。操作系统就会决定进程1的时间片用完了，换进程2进行。

一系列的操作完之后，操作系统会把CPU的使用权交给用户进程，接下来进程2，就会在用户态继续执行，当进程2执行到一段时间之后，进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出。CPU切换为核心态，对中断信号进行处理。

接下来，CPU会同样进入核心态，操作系统拿到CPU的使用权，操作系统对中断信号进行处理。接下来，操作系统会按照进程2的请求，连接输出设备打印机开始工作。

然后进程2需要等待打印机的I/O完成，此时，操作系统会让进程2暂停运行，换进程3运行。

完成一系列的操作之后，操作系统会把CPU的使用权还给用户进程。然后进程3开始工作，并且输出设备在操作系统的要求下也会并行的工作，当它打印完成之后，也会向**CPU**发出一个**I/O**完成的中断信号。

当CPU接受到I/O完成的中断信号（并且会立即从用户态切换为核心态），它就知道需要操作系统介入，接下里操作系统拿到CPU的使用权，操作系统就会对刚才的中断信号进行处理。

操作系统处理完中断信号，发现进程2的I/O操作已经完成，会让进程2恢复运行，来完成后续的工作。

1.6.2 中断的概念和作用

通过刚才例子的讲解，我们会发现一些显著的特点：

• 当中断发生的时候，CPU会立即进入核心态。
• 当中断发生之后，当前运行的进程暂停执行，并由操作系统内核对中断信号进行处理。
• 对于不同的中断信号，操作系统会进行不同的处理。

当发生了中断之后，就意味着需要操作系统需要介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设配等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转换为核心态。

中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得CPU的使用权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

在之前的遗留的一个问题：用户态、核心态之间的切换时怎么实现的？

是通过中断实现的，并且中断时唯一途径。

核心态转换为用户态是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为用户态。0是用户态，1是核心态。

1.6.3 中断的分类

1.6.3.1 内中断（也叫异常）

同上。

1.6.3.2 外中断

同上。

1.6.4 外中断的处理过程

现在我们来看一下计算机对外部中断的处理过程。

1.6.5 小结

1.7 系统调用

1.7.1 什么是系统调用，有何作用

其实在之前的章节，有涉及到系统调用。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。

我们其实可以简单把，“系统调用”称作为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，应用程序可以发出系统调用来获得操作系统的服务。

问题：操作系统为什么要提供“系统调用”功能呢？

生活场景：你去学校打印店打印论文，当你按下“打印”之后，打印机开始工作。你的论文打印到一半的时候，另一位同学按下了“打印”按钮开始打印他自己的论文。最终，你的论文和该同学的论文页面并没有混杂在一起，都是按顺序一次打印的。

思考：如果各个线程可以随意地使用打印机，会发生什么情况呢？

很显然你的论文打印到一半的时候，另一位同学按下了“打印”的按钮开始打印他自己的论文。结果，你的后半部分论文与该同学的页面混杂在一起了。。。

解决办法：操作系统提供“系统调用”功能，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发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都有操作系统统一掌管，一次在用户程序中，凡是与资源相关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法的操作。

1.7.2 系统调用和库函数的区别

1.7.3 系统调用背后的过程

注意：

• 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后会立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态。
• 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的响应处理在核心态下进行的。
• 陷入指令是为了让CPU从用户态切换为核心态，所以陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令。

1.7.4 小结