Operating System

什么是操作系统

控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理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. 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
2. 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
3. 操作系统是系统软件，而不是硬件

Basic Concepts of OS

Processes：进程管理，进程树
Address spaces：地址空间，物理内存、虚拟内存
Files：文件系统，文件和目录
Input/Output：输入输出，I/O
Protection：硬件和软件
The shell：命令提示符
System Call：系统调用

• 用户程序和系统程序之间的接口
• 在内核模式执行
• POSIX API/ Windows Win32 API
• 系统调用类型
  • 进程控制：创建、终结进程，获取/设置 进程参数
  • 文件操作：Create；delete；read；write；get/set file attributes
  • 设备管理：Request；Release；Read；Write
  • Socket：Connection：Open/Accept/Read/Write/Close
  • 信息维护：获取当前的日期，OS Version等

Characters of OS 操作系统的特征

Concurrency：并发

并发 Concurrency：逻辑并发（宏观上看是同时执行的，微观上，是划分为小的时间片，一段时间A用，一段时间B用）
并行 Parallel：物理并发（A、B两个程序真的在同时执行

Share：共享

CPU，Main Memory，Storage，I/O devices
Space，Time
互斥共享方式：一个时间段只允许一个进程访问该资源
同时共享方式：允许一个时间段由多个进程“同时”对它们进行访问

Virtualization：虚拟

虚拟式把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理上实体是物理存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。
空分复用技术：虚拟内存，虚拟存储器技术
时分复用技术：单核CPU多线程，虚拟处理器
没有并发性，就谈不上虚拟性

Asynchronism：异步

多道程序环境下，资源有限，程序以不可预知的速度向前推进，就是进程的异步性。
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

知识点：
并发与并行的区别
并发与共享互为存在条件
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

OS Runtime Structure 运行机制体系结构

运行机制

两种指令：

• 特权指令：如I/O指令、内存清零指令
• 非特权指令：如运算指令

两种处理器状态：程序状态字寄存器（PSW）

• 用户态：CPU只能执行非特权指令
• 核心态：特权指令、非特权指令都可以执行

两种程序：

• 内核程序：系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。
• 应用程序：普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

单体系统：全部操作系统在内核态中以单一程序的方式运行
主程序：处理服务过程请求
服务过程：执行系统调用
使用过程：辅助服务过程

层次式系统：上层软件都是在下一层软件的基础上构建的。

微内核：
仅有一个模块（微内核）运行在内核态，剩下全都在用户态。MINIX 3 微内核
只有时钟管理、中断处理、原语等，不包括进程管理、存储器管理、设备管理等功能。


Client-Server模式（Web运行模式）
服务器：提供服务
客户端：使用服务
服务器与客户端之间通过消息传递方式
虚拟机：

1. VM370
2. 多道程序
3. 一个比裸机更方便、有扩展界面的计算机。裸机硬件的精确复刻品
   
4. hypervisor Ⅰ
   

外核（exokernel）：
通过拆分硬件资源来分配给虚拟机，比如一块硬盘，某个虚拟机获得磁盘的0-1023盘块，而另一台虚拟机获得1024-2047盘块。
这样做减少了映射层，这样就少了一张表格来维护重映像磁盘地址。

中断和异常

中断机制的诞生

发生中断意味着需要操作系统介入，开展管理工作

中断的概念和作用

1. 中断发生时，CPU会立即进入核心态
2. 中断发生后，当前运行进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3. 中断信号不同，处理方式不同

有了中断，才能实现多道程序并发执行。
中断可以使CPU从用户态切换为核心态，被操作系统获得计算机的控制权。

用户态→核心态	中断
核心态→用户态	改变程序状态字

中断的分类

内中断（也称异常、例外、陷入（陷阱））：信号来源：CPU内部，与当前执行的指令相关。
自愿中断——指令中断
强迫中断
硬件故障：如缺页
软件中断：如软件出现异常Exception
外中断（中断——狭义的中断）：信号来源：CPU外部，与当前执行的指令无关
外设请求：如IO完成操作
人工干预：用户强制停止进程

外中断处理过程：

1. 每条指令执行完后检查是否有中断请求
2. 如果检测到中断请求，保护被中断程序的CPU环境（保护现场）（如程序状态字、程序计数器、寄存器）
3. 根据中断信号处理中断程序
4. 恢复原程序的CPU环境（恢复现场）并退出中断，返回原程序继续执行
   

系统调用

什么是系统调用

程序接口就是由一组系统调用来组成的

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。需要访问系统资源，都需要系统代为完成，所以需要系统调用，这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户的非法操作。
系统调用会让CPU从用户态进入核心态

系统调用 & 库函数

系统调用是操作系统向上层提供的接口
有些库函数是对系统调用的进一步封装
当今应用程序大多通过高级语言直接or间接进行系统调用

系统调用背后过程

1. 传递系统调用参数
2. 执行陷入（trap、int）指令
3. 执行系统调用相应服务程序
4. 返回用户程序
   

操作系统的管理功能

• 进程管理
• 存储管理
• 设备管理
• 文件管理
• 作业管理