1. 操作系统基本概念

1.1.1 操作系统的概念

计算机系统的层次结构

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。

功能和目标

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。

• 提供的功能
  • 处理机管理（对应进程被处理机 CPU 处理）
    • 进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、合理共享资源
    • 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（把程序相关数据放到内存）
    • 内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享、内存扩充
  • 文件管理（逐层打开文件夹，找到程序存放的位置）
    • 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（将摄像头等设备分配给进程）
    • 缓冲处理、设备分配、设备处理、虚拟设备
• 目标
  • 安全高效

作为用户和计算机硬件之间的接口

• 提供的功能
  • 命令接口（允许用户直接使用）
    • 联机命令接口（用户说一句，系统做一句）适用于分时或实时系统接口
    • 脱机命令接口（用户说一堆，系统做一堆）适用于批处理系统
  • 程序接口
    • 允许用户通过程序间接使用
    • 由一组系统调用组成
  • GUI
• 目标
  • 方便用户使用

作为最接近硬件的层次

• 功能
  • 实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。

通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机。

1.1.2 操作系统的四个特征

并发 Concurrence

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事情宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

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。

Caution

并发：宏观上同时发生，但微观上交替发生

共享 Sharing

即资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

• 互斥共享方式
  • 一个时间段内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
• 同时共享方式
  • 一个时间段内允许多个进程“同时”访问该资源
  • 这里的“同时”也是宏观上的，在微观上仍然是分时复用

并发性和共享性互为存在条件

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 Virtual

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。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。

操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外设等。

• 空分复用技术 运用虚拟存储技术，实际只有 4 GB 的内存，在用户看来似乎远远大于 4 GB。
• 时分复用技术 运用虚拟处理器技术，通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，分时使用一个处理器，实际上只有一个单核 CPU，在用户看来似乎有 6 个 CPU 在同时为自己服务。

异步 Asynchronism

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。

1.1.3 操作系统的发展与分类

手工操作阶段

缺点：用户独占全机、人机速度矛盾、资源利用率低

单道批处理机

引入脱机输入输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入、输出。

监督程序即为操作系统的雏形。

特点自动性、顺序性、单道性

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，必须串行运行。CPU 有大量时间在空闲等待 I/O 完成，资源利用率依然很低。

多道批处理机

磁带每次向内存中输入多道程序。

操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行，各程序并发执行。

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 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，用户必须等待处理完成。

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。

优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互的问题，允许多个用户同时使用一台计算机，用户操作相互独立。

缺点：不能优先处理一些紧急任务，对各个用户/作业是完全公平的。

实时操作系统

计算机系统接收到外部信号后及时处理，并且要在严格的时限内处理完事件。有及时性和可靠性。能优先处理紧急任务。

• 硬实时系统（必须在绝对严格的规定时间内完成）
• 软实时系统（允许个别的违反）

其他几种

网络操作系统

分布式操作系统

个人计算机操作系统

1.1.4 操作系统的运行机制和体系结构

运行机制

指令

• 特权指令
  • 不允许用户直接使用的指令，如 I/O、置中断指令、存取用于保护内存的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器的指令等。
• 非特权指令
  • 允许用户直接使用，不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，防止用户程序对系统造成破坏。

处理器状态

• 用户态
  • 只能处理非特权指令
• 核心态
  • 能处理特权、非特权指令

程序

• 内核程序
  • 系统的管理者，运行在核心态
• 应用程序
  • 运行在用户态

操作系统内核

内核时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。

原语特点：

• 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
• 运行具有原子性，操作只能一气呵成
• 运行时间较短，调用频繁

定义原语的直接方法是关中断，让其所有动作不可分割地完成后再开中断。

操作系统的体系结构

• 大内核
  • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
  • 优点：高性能
  • 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
• 微内核
  • 只把最基本的功能保留在内核
  • 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
  • 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

1.1.5 中断和异常

中断机制的诞生

早期计算机

各程序只能串行运行，效率低

操作系统诞生

引入中断机制，实现了多道程序并发执行

本质：发生中断就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作

中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU 立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

发生了中断，就意味着需要 OS 介入，开展管理工作。由于 OS 的管理工作（如进程切换，分配 I/O 设备等）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 OS 获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。中断是用户态切换为核心态的唯一途径。

中断的分类

内中断（异常、例外、陷入）

信号来源：CPU 内部，与当前执行的指令有关（非法操作码、地址越界、运算溢出、缺页等）。异常不能被屏蔽，一旦出现，就应立即处理。

• 自愿中断（指令中断、系统调用）
• 强迫中断
  • 硬件故障（如：缺页）
  • 软件中断（整数除 0）

外中断（中断）

信号来源：CPU 外部，与当前执行的指令无关

• 外设请求（如：I/O 操作完成发出的中断信号）
• 人工干预（用户强行终止一个进程）

外中断的处理过程

1. 执行完每个指令后，CPU 都要检查当前是否有中断信号
2. 如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的 CPU 环境
3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序

1.1.6 系统调用

作用

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由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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，防止用户进行非法操作。

功能分类

• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理

系统调用的执行过程

系统调用与库函数的区别

层次	功能
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言成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使上层进行系统调用更加方便。
操作系统	向上提供系统调用
裸机

Warning

由用户态进入核心态，不仅需要切换状态，而且所用的堆栈也可能需要由用户态切换到系统堆栈，但这个系统堆栈也是属于该进程的。

系统调用背后的过程

传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态）→ 执行系统调用相应服务程序（核心态）→ 返回用户程序

Note

1. 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，从而 CPU 进入核心态
2. 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
3. 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

1.2. 操作系统引导

操作系统是一种程序，以数据的形式存放在硬盘上，而硬盘通常分为多个分区，一台计算机中又有多个或多种外部存储设备。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，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，一环扣一环的完成上述过程。

常见操作系统引导过程

1. 激活 CPU

激活的 CPU 读取 ROM 中的 boot 程序，将指令寄存器置为 BIOS （基本输入/输出系统）的第一条指令，即开始执行 BIOS 的指令。

2. 硬件自检

启动 BIOS 后，先进行硬件自检，检查硬件是否出现故障。有故障，则主板发出不同含义的蜂鸣，启动中止；无故障，屏幕显示 CPU、内存、硬盘等信息。

3. 加载带有操作系统的硬盘

BIOS 开始读取 Boot Sequence （通过 CMOS 里保存的启动程序，或者通过与用户交互方式），把控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备，然后 CPU 将该存储设备引导扇区的内容加载到内存中。

4. 加载主引导记录 MBR

硬盘以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘。如果发现一个存储设备不是可引导硬盘，就检查下一个存储设备。如无其他启动设备，就会死机。主引导记录 MBR 的作用是告诉 CPU 去硬盘的哪一个主分区去找操作系统。

5. 扫描硬盘分区表 并加载硬盘活动分区

MBR 包含硬盘分区，硬盘分区表以特定的标识符区分活动分区和非活动分区。主引导分区扫描硬盘分区表，进而识别含有操作系统的硬盘分区（活动分区）。找到后，开始加载硬盘活动分区，将控制权交给活动分区。

6. 加载分区引导记录 PBR

读取活动分区的第一个扇区，这个扇区称为分区引导记录 PBR，其作用是寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序（启动管理器）。

7. 加载启动管理器

分区引导记录搜索活动分区中的启动管理器，加载启动管理。

8. 加载操作系统

1.3. 虚拟机

基本概念

虚拟机是一台逻辑计算机，是指利用特殊的虚拟化技术，通过隐藏特定计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境。

虚拟化方法

第一类虚拟机管理程序

从技术上讲，第一类虚拟机管理程序就像一个操作系统，因为它是唯一一个运行在最高特权级的程序。它在裸机上运行并且具备多道程序功能。虚拟机管理程序向上层提供若干台虚拟机，这些虚拟机是裸机硬件的精确复制品。由于每台虚拟机都与裸机相同，所以在不同的虚拟机上可以运行任何不同的操作系统。

虚拟机作为用户态一个进程运行，不允许执行敏感指令。虚拟机上的操作系统认为自己运行在内核态，实际上不是，而是运行在虚拟内核态。用户进程运行在用户态。

第二类虚拟机管理程序

依赖于 Windows, Linux 等操作系统分配和调度资源的程序，很像一个普通的进程。例如 VMware。

运行在两类虚拟机管理程序上的 OS 都被称为客户操作系统，对于第二类虚拟机管理程序，运行在底层硬件上的操作系统称为宿主操作系统。