Loading... ## 操作系统的基本概念 **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**。 - 操作系统是系统资源的管理者 - 向上提供方便易用的服务 - 是最接近硬件的一层软件 操作系统的**功能和目标**：实现对硬件机器的拓展。 ![image-20241014222855277.png][1] ## 操作系统的特征 ### 并发 > 并发性是操作系统一个最基本的特性 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。 常考易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。 **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**。 - **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。 ![image-20241015010745805.png][2] 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) **并发和共享的关系**： 并发和共享是两个最基本的特征，且二者互为存在的条件。 - **并发性**指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。 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。 - 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。 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。 ### 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。 ![image-20241015011442106.png][3] ### 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**。 ### 小结 ![image-20241015011703655.png][4] **考点**： - 理解并发和并行的区别 - 并发和共享互为存在条件 - 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 ## 操作系统的发展和分类 ### 手工操作 通过纸带机来运行代码。 **主要缺点**：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。 ### 批处理 - 单道批处理系统 引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由**监督程序**负责控制作业的输入、输出。 **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。 缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。 CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。 - 多道批处理系统 每次往内存中读入多道程序运行。此时操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。 **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，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。 **缺点**：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数） ### 分时操作系统 计算机以**时间片**为单位**轮流为各个用户 / 作业服务**，各个用户可通过终端与计算机进行交互。 **主要优点**：用户请求可以被即时响应，**解决了人机交互问题**。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。 **主要缺点**：**不能优先处理一些紧急任务**。操作系统对各个用户 / 作业都是完全公平的，循环地为每个用户 / 作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。 ### 实时操作系统 在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且**要在严格的时限内处理完事件**。实时操作系统的主要特点是**及时性和可靠性**。 ![image-20241015015923071.png][5] **主要优点**：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。 ### 其他几种操作系统 **网络操作系统**：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用） **分布式操作系统**：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。 **个人计算机操作系统**：如Windows XP、MacOS，方便个人使用。 ### 小结 ![image-20241015020214698.png][6] ## 操作系统的运行机制 ![image-20241015115613734.png][7] ### 内核程序和应用程序 我们普通程序员写的就是应用程序，如微信，QQ 等。 微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是**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 。 ### 特权指令和非特权指令 应用程序只能使用**非特权指令**，如加法指令，减法指令等。 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。 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。 ### 内核态和用户态 > CPU 如何区分此时正在运行的是内核程序还是应用程序？ 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。 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。 **切换方法**： - 内核态 $\rightarrow$ 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 $\rightarrow$ 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。 ### 小结 ![image-20241015121046543.png][8] ## 中断和异常 ![image-20241015151350346.png][9] ### 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，“中断”是让操作系统**内核夺回 CPU 使用权**的**唯一途径**。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。 ### 中断的类型 ![image-20241015151804418.png][10] > 大多数的教材、试卷中，“中断” 特指狭义的中断，即外中断。而内中断一般称为 “异常” 。 ### 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。 ![image-20241015152001311.png][11] ### 小结 ![image-20241015152327129.png][12] ## 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。 “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 ![image-20241015153105052.png][13] - **普通应用程序**：可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及 - **编程语言**：向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。 - **操作系统**：向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务。 ### 系统调用的分类 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/O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。 ![image-20241015153304854.png][14] ### 系统调用的过程 传递系统调用参数 $\rightarrow$ 执行陷入指令（**用户态**） $\rightarrow$ 执行相应的内请求核程序处理系统调用（**核心态**）$\rightarrow$ 返回 ![image-20241015155614641.png][15] - 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**。 - **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。 - 陷入指令 = trap 指令 = 访管指令。 ### 小结 ![image-20241015155915557.png][16] ## 操作系统的体系结构 ### 大内核与微内核 内核是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。 ![image-20241016023629704.png][17] 根据内核中实现的功能差别可以分为**大内核**与**微内核**： ![image-20241016023712090.png][18] 假设一个应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理。若系统采用大内核，则只需要切换两次 CPU 状态；若采用微内核，则需要六次切换。 ![image-20241016024132978.png][19] ### 分层结构 内核分为多层，最底层是硬件，最高层是用户接口，每层可以调用更低一层。 ![image-20241016110421056.png][20] - 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。 - 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。 ### 模块化 模块化是将操作系统按功能划分为若干个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，是各模块之间能够通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块的接口。 ![模块化结构的操作系统][21] ### 外核 内核负责进程调度，进程通信等功能，外核 (exokernel) 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。 ![image-20241016111835890.png][22] ### 总结 ![image-20241016024348032.png][23] ## 操作系统引导 ![image-20241016112611570.png][24] **引导过程 (开机过程)**： 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。 ![image-20241016112812671.png][25] ## 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 / Virtual Machine Monitor / Hypervisor ![image-20241016113019159.png][26] - 第一类：ESXI 等； - 第二类：VMware ，VirtualBox 等 **两类虚拟机管理程序的对比**： ![image-20241016113108383.png][27] **内核指令分级**：一些不重要的指令可以放在优先级较低的环中，重要的内核指令放在优先级较高的环。这样可以不用对每条内核指令进行审核，提高系统的运行效率。 ![image-20241016114122013.png][28] [1]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/2700582521.png [2]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/734029416.png [3]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/2601341874.png [4]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/4271289342.png [5]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/2287394672.png [6]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1974726368.png [7]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/996726541.png [8]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/4220135576.png [9]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/372901324.png [10]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1931005220.png [11]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/3783120657.png [12]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/3267060068.png [13]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1801054855.png [14]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/793937922.png [15]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1915340476.png [16]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/3279686732.png [17]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1540370302.png [18]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1012216278.png [19]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/585524561.png [20]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/2306361575.png [21]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/783378880.png [22]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/2074972495.png [23]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/710709815.png [24]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/3207018768.png [25]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/1753488555.png [26]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/3870634575.png [27]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/3832711137.png [28]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/10/872692697.png 最后修改：2024 年 10 月 16 日 © 允许规范转载 赞 如果觉得我的文章对你有用，请随意赞赏