《王道操作系统》笔记——第1章 操作系统

文章目录

• 1.1 操作系统的概念、功能
• 1.1.1 操作系统的概念（定义）
• 1.1.2 操作系统的功能和目标
• 1.1.2.1 作为系统资源的管理者
• 1.1.2.2 向上层提供方便易用的服务
• 1.1.2.3 作为最接近硬件的层次
• 1.1.3 知识回顾与重点考点
• 1.2 操作系统的特称
• 1.2.1 操作系统的特称——并发
• 1.2.2 操作系统的特征——共享
• 1.2.3 操作系统的特征——虚拟
• 1.2.4 操作系统的特征——异步
• 1.2.5 知识回顾与重点考点
• 1.3 操作系统的发展与分类
• 1.3.1 手工操作阶段
• 1.3.2 批处理阶段——单道批处理系统
• 1.3.3 批处理阶段——多道批处理系统
• 1.3.4 分时操作系统
• 1.3.5 实时操作系统
• 1.3.6 其他几种操作系统
• 1.3.7 知识回顾与重点考点
• 1.4 操作系统的运行机制
• 1.4.1 预备知识：什么是指令
• 1.4.2 两种指令
• 1.4.3 两种处理机状态
• 1.4.4 两种程序
• 1.4.5 内核态、用户态的切换
• 1.4.6 知识回顾与重点考点
• 1.5 操作系统的体系结构
• 1.5.1 操作系统的内核
• 1.5.2 大内核和微内核
• 1.5.3 知识回顾与重点考点
• 1.6 中断和异常
• 1.6.1 中断的作用
• 1.6.2 中断的类型
• 1.6.3 中断机制的基本原理
• 1.6.4 知识回顾与重点考点
• 1.7 系统调用
• 1.7.1 什么是系统调用，有何作用？
• 1.7.2 系统调用与库函数的区别
• 1.7.3 小例子：为什么系统调用是必须的？
• 1.7.4 什么功能要用到系统调用？
• 1.7.5 系统调用的过程
• 1.7.6 知识回顾与重点考点
• 1.8 第一章知识回顾

1.1 操作系统的概念、功能

1.1.1 操作系统的概念（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。

① 操作系统是系统资源的管理者

② 向上层提供方便易用的服务

③ 是最接近硬件的一层软件

1.1.2 操作系统的功能和目标

1.1.2.1 作为系统资源的管理者

用 QQ 和朋友视频聊天的过程：

• Step 1：在各个文件夹中找到 QQ 安装的位置（文件管理：逐层打开文件夹，找到 QQ.exe 这个程序（可执行文件）的存放位置）
• Step 2：双击打开 QQ.exe（存储器管理：需要把该程序相关数据放入内存）
• Step 3：QQ 程序正常运行 （处理机管理：对应的进程被处理机（CPU）处理）
• Step 4：开始和朋友视频聊天（设备管理：需要将摄像头设备分配给进程）

补充知识：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被 CPU 处理。

1.1.2.2 向上层提供方便易用的服务

封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。

GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）

用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

例子：在 Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件 “拖拽” 到回收站即可。

联机命令接口

• 联机命令接口 = 交互式命令接口
• 特点：用户说一句， 系统跟着做一句

联机命令接口实例（Windows系统）

• Step 1：win键+R
• Step 2：输入cmd，按回车，打开命令解释器
• Step 3：尝试使用 time 命令

脱机命令接口

• 脱机命令接口 = 批处理命令接口
• 特点：用户说一堆，系统跟着做一堆

脱机命令接口实例（Windows系统）

使用 Windows 系统的搜索功能，搜索 C 盘中的 *.bat文件，用记事本任意打开一个

程序接口

• 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。
• 例如：写 C 语言 “Hello world” 程序时，在 printf 函数的底层就使用到了操作系统提供的显式相关的“系统调用” 。
• 在有的教材中： 系统调用 = 广义指令

总结

1.1.2.3 作为最接近硬件的层次

• 需要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

1.1.3 知识回顾与重点考点

1.2 操作系统的特称

1.2.1 操作系统的特称——并发

• 并发：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。
• 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

注意（重要考点）：

• 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
• 比如 Intel 的第八代 i3 处理器就是 4 核CPU，意味着可以并行地执行 4 个程序。即使是对于 4 核 CPU 来说，只要有 4 个以上的程序需要 “同时” 运行，那么并发性依然是必不可少的，因此并发性是操作系统一个最基本的特性。

补充：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。

1.2.2 操作系统的特征——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。

注意：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）

生活实例：

• 互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
• 同时共享方式：使用QQ发送文件 A，同时使用微信发送文件 B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

并发和共享的关系

• 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
• 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。

通过上述例子来看并发与共享的关系：

使用 QQ 发送文件 A，同时使用微信发送文件 B。

1. 两个进程正在并发执行（并发性）

2. 需要共享地访问硬盘资源（共享性）

注意：

• 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
• 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
• 所以并发性和共享性互为存在条件

1.2.3 操作系统的特征——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。

空分复用技术

GTA5 需要 4GB 的运行内存，QQ 需要 256MB 的内存，迅雷需要 256MB 的内存，网易云音乐需要 256MB 的内存……

我的电脑：4GB 内存

问题：这些程序同时运行需要的内存远大于 4GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？

答：这是虚拟存储器技术（虚拟技术中的 “空分复用技术” ）。实际只有 4GB 的内存，在用户看来似乎远远大于 4GB

时分复用技术

问题：既然一个程序需要被分配 CPU 才能正常执行，那么为什么单核 CPU 的电脑中能同时运行这么多个程序呢？

答：这是虚拟处理器技术（虚拟技术中的 “时分复用技术”。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务）。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

1.2.4 操作系统的特征——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。

1.2.5 知识回顾与重点考点

重要考点：

• 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

1.3 操作系统的发展与分类

1.3.1 手工操作阶段

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

1.3.2 批处理阶段——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

• 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。

1.3.3 批处理阶段——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，CPU 和其他资源更能保持“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）

1.3.4 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，不区分任务的紧急性。

1.3.5 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

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。

1.3.6 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。

1.3.7 知识回顾与重点考点

1.4 操作系统的运行机制

1.4.1 预备知识：什么是指令

• 程序运行的过程其实就是 CPU 执行一条条的机器指令的过程
• 指令就是处理机（CPU）能识别、执行的最基本命令

1.4.2 两种指令

问题：

• 有的指令“人畜无害”。比如：加、减、乘、除 这些普通的运算指令。
• 有的指令有很高的权限。比如：内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样显然是很危险的。

为了解决这个问题，把指令分为特权指令和非特权指令

1.4.3 两种处理机状态

问题：CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令？

1.4.4 两种程序

1.4.5 内核态、用户态的切换

一个故事：

1. 刚开机时，CPU 为 “核心态”，操作系统内核程序先上 CPU 运行
2. 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
3. 操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上 CPU 运行
4. 应用程序运行在 “用户态”
5. 此时，一位黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统
6. CPU 发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于 “用户态”
7. 这个非法事件会引发一个中断信号，当 CPU 检测到中断信号后，会立即变为 “核心态”
8. “中断” 使操作系统再次夺回 CPU 的控制权
9. 操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把 CPU 使用权交给别的应用程序

总结：

• 内核态 --> 用户态：执行一条特权指令——修改 PSW 的标志位为 “用户态”，CPU 主动让出使用权。
• 用户态 --> 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

1.4.6 知识回顾与重点考点

1.5 操作系统的体系结构

1.5.1 操作系统的内核

• 内核是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。
• 实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

1.5.2 大内核和微内核

一个故事：现在，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。

注意：变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁的变态会降低系统性能。

1.5.3 知识回顾与重点考点

• 典型大内核操作系统：Linux、UNIX
• 典型微内核操作系统：Windows NT

1.6 中断和异常

1.6.1 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，也就不会有“并发”

1.6.2 中断的类型

内中断的例子

• 例子 1：试图在用户态下执行特权指令
• 例子 2：执行除法指令时发现除数为 0（若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号）
• 例子 3：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号（执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的）

外中断的例子

• 例子 1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

  

• 例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

  

中断的分类

注意：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”

1.6.3 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。

1.6.4 知识回顾与重点考点

1.7 系统调用

1.7.1 什么是系统调用，有何作用？

知识点回顾：

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。

1.7.2 系统调用与库函数的区别

1.7.3 小例子：为什么系统调用是必须的？

• 生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另一位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他自己的论文。

• 思考：如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？

  两个进程并发运行，打印机设备交替地收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了

• 解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供 “系统调用” ，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

1.7.4 什么功能要用到系统调用？

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。

1.7.5 系统调用的过程

注意：

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，使 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

1.7.6 知识回顾与重点考点

1.8 第一章知识回顾