王道计算机考研-操作系统学习笔记-完整思维导图篇章一操作系统概念
王道计算机考研 操作系统学习笔记 + 完整思维导图篇章一：操作系统概念
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操作系统的概念
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分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，是计算机系统中最基本的 系统软件 。
操作系统的功能和目标
操作系统的特征
- 并发
- 共享
- 虚拟
- 异步
并发
并发：指两个或者多个事件在同一个时间间隔内发生。这些事情宏观上同时发生的，但在微观上是交替发生的。
易混淆—并行：指两个或者多个事件在同一个时刻同时发生。
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
一个单核处理机（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交替执行(这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行)
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
当今的计算机，一般都是多核cpu，如4核cpu这就意味着同一个时刻可以有4个程序并行执行，但是操作系统的并发性依然必不可少
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
- 两种资源共享方式
- 互斥共享：一个时间端只允许一个进程访问该资源
- 同时共享：允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问（所谓的“同时”往往是宏观上的，但是微观上 有可能 是交替对该资源进行访问，即分时共享）
- 并发与共享的关系：互为存在条件
虚拟
- 虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。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。
- 虚拟技术
- 空分复用技术（如虚拟存储器技术）
- 时分复用技术（如虚拟处理器—cpu）
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，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。
- 只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
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性
操作系统的发展和分类
三大阶段
手工操作阶段
- 人—字带机—计算机—-字带机人
- 主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率低
批次处理阶段—单道批处理系统
- 引入脱机输入/输出技术（利用磁带技术），并监督程序负责控制作业的输入，输出
- 人—自带机—-外围机—磁带—计算机—磁带—……
- 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：内存中仅能由一道程序运行，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
批处理阶段—多道批处理系统
- 在磁带部分，每次往内存中输入多道程序
- 操作系统正式诞生，并引入中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。
- 主要优点:多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
- 主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提升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）
操作系统分类
分时操作系统
- 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，不能区分任务的紧急性。
实时操作系统
- 主要优点：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，计算机系统接收道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。
- 分类：
- 硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
- 软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定
其他操作系统
- 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（如文件的共享）和各个计算机之间的通信。（如：Windows NT
- 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，由他们并行，协同完成这个任务。
- 个人计算机操作系统：如Windows xp，MacOs
操作系统的运行机制
预备知识
指令和代码的区别：代码——>翻译——>指令
指令就是处理器（CPU）能够识别，执行的最基本命令
内核程序 v.s.应用程序
特权指令 v.s.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”一一即 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执行一条指令前需要判断出其类型
内核态 v.s. 用户态
内核态和用户态的切换
总结
中断和异常
中断的作用
中断的分类
内中断
外中断
时钟中断
在多任务操作系统中， 程序的并发运行通过中断实现 。操作系统将CPU的控制权交给多个任务，并通过定时中断来实现任务之间的切换。具体来说，当一个任务执行时间片用尽或发生阻塞等情况时，操作系统会引发一个 时钟中断 ，将控制权转移到另一个任务上。这样，多个任务就可以交替执行，从而实现了程序的并发运行。
I/O 中断
当应用程序需要进行输入/输出操作时，会向操作系统发起对设备的请求。操作系统会为该请求分配对应的I/O资源，并将任务的控制权交给其他任务。
当设备就绪或完成数据传输时，设备控制器会向系统发送一个中断请求 ，这被称为IO中断。中断控制器收到IO中断请求后，将其传递给CPU。
一旦CPU接收到IO中断信号，当前任务的执行会被中断 ，CPU会保存当前任务的上下文，即程序执行状态的相关信息，然后转而执行中断服务程序。中断服务程序是预先定义好的，用于处理特定IO设备的中断请求。
通道在I/O程序执行结束或开始的时候，需要CPU做一定处理。只有在执行I/O程序期间，无需CPU干预。
中断的基本原理
总结
系统调用
什么是系统调用，有何作用？
系统调用与库函数的区别
什么功能要用到系统调用?
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）—->执行系统调用相关服务程序（核心态）—->返回用户程序
- 注意：
- 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立刻引发内中断，从而cpu进入核心态
- 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
- 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不能在核心态执行的指令
总结
操作系统体系结构
操作系统内核部分
操作系统的体系结构
总结
操作系统引导（开机过程）
虚拟机
虚拟机的CPU资源是通过时间片算法实现的，看似是独立的一个CPU，但在微观上是不独立的
