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概念
操作系统（OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源分配，进而为用户与其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件
功能和目标
1.操作系统是资源的管理者
处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理、用户接口管理
2.操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
- 命名接口：联机命令接口（交互式命令接口）、脱机命令接口（批处理命令接口）
- 程序接口（广义指令）
3.操作系统实现了对计算机资源的扩充
特征
并发
若干事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并行性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力
ps：单核cpu同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行
共享（资源共享）
系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。分为以下两种方式；
- 互斥共享方式：系统中的某些资源，在一段时间内只允许一个进程访问改资源
- 同时访问方式：系统中的某些资源，在一段时间内允许多个进程“同时”访问
虚拟
把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，后者则是用户感觉上的事物
异步
多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
ps：并发和共享是操作系统两个最基本的条件
发展与分类
手工操作阶段（无OS）
主要缺点：
- 用户独占，资源利用率低
- CPU等待手工操作，CPU的利用不充分
批处理阶段
单道批处理系统
- 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：每次主机内存仅存放一道作业，每当它在运行期间发出输入/输出请求后，高速CPU便处于等待低速I/O完成的状态，资源利用率依然低
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，系统吞吐量大。
- 主要缺点：用户响应时间较长；不提供人机交互功能，用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机
分时操作系统
- 分时技术：把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用
- 主要优点：用户请求可以被及时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户访问同一台计算机，并且用户对计算机操作独立
- 主要缺点：不能优先处理紧急的任务，需时间片排队
实时操作系统
为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队，诞生了实时操作系统
- 硬实时操作系统：必须在规定的时刻发生
- 软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定
网络操作系统
网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信
分布式计算机系统
主要特点是分布性和并行性。系统中的任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还能重构；任何工作都可以分布在几台计算机上，由它们并行工作、协同完成。
个人计算机操作系统
是目前使用最广泛的操作系统。如：Windows、Linux、MacOS
ps：操作系统的基本类型主要有：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统
操作系统运行环境
内核态和用户态
- CPU有两种状态：内核态、用户态
- 处于内核态时，执行操作系统的内核程序，此时可以执行特权指令
- 处于用户态时，执行操作系统的用户自编程序(应用程序)，此时只能执行非特权指令
ps：内核包含四大内容：时钟管理、中断机制、原语、系统控制的数据结构及处理
特权和非特权指令
- 特权指令：不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令等
- 非特权指令：允许用户直接使用的指令，不能直接访问系统中的软硬件资源
程序状态字寄存器（PSW）：当PSW置0时CPU处于核心态，当PSW置1时CPU处于用户态
状态切换
内核态切换到用户态：执行一条特权指令--修改PSW的标志位为用户态，操作系统主动让出CPU使用权
用户态切换到内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发信号中断意味着操作系统强行夺回CPU的使用权
中断
内中断（异常、例外）：和当前执行指令有关，中断信号来源于CPU内部
外中断：和当前执行指令无关，中断信号来源于CPU外部
中断机制的基本原理
不同的中断信号，需要不同的中断处理程序处理。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”，以此来查找相应的中断处理程序在内存中的位置
系统调用
概念：是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）来使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数。
ps：应用程序可通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
按功能分类
- 设备管理：完成设备的请求和释放，以及设备启动等功能。
- 文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能
- 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能
- 进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递等功能
- 内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能
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
操作系统体系结构
分层法
概念：分层法是将操作系统分成若干层，最底层（层0）为硬件，最高层为用户接口，每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务。
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
概念：模块化是将操作系统按功能划分为若干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，使各模块之间能够通过接口进行通信。
- 内核=主模块＋可加载内核模块
- 主模块：只负费核心功能，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：设备驱动程序)，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：
- 模块间的接口定义末必合理、实用
- 模块间相互依赖，更难调试和验证
宏内核（单内核/大内核）
概念：将系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为用户程序提供高性能的系统服务
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
概念：将内核中最基本的功能保留在内核，而将那些不需要在核心态执行的功能移到用户态执行，从而降低内核的设计复杂性
优点：
- 内核小功能少、易于维护，内核可靠性高
- 內核外的某个功能模块出错不会导致整个系統崩溃
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"消息传道"来间接通信
外核
概念：内核负费进程调度、 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：
- 降低了系統的一致性
- 使系统变得更复杂
操作系统的引导
概念：操作系统引导是指计算机利用CPU运行特定程序，通过程序识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统。
过程：
- 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）
- 将磁盘的第一块一一主引导记录 读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
- 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
- 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
概念：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，每台虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
ps：图片取自b站视频王道考研 -操作系统