操作系统（一）：计算机系统概述

概念、功能和目标

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：
（1）作为资源的管理者：统一调度硬件和软件资源的使用，提供的功能有：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理。目标是安全高效的执行各种程序。

（2）向上层提供方便易用的服务：如面向用户的图形用户界面（GUI）、命令接口（联机命令接口——逐句执行、脱机命令接口——连续执行），面向程序员的程序接口。

（3）对硬件的扩充：作为最接近硬件的层次，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。

四大特征

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。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。

注意：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

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。

有两种资源共享方式：互斥共享方式——系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源；同时共享方式——系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问。
并发和共享之间的关系：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。

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。两者互为存在条件。

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。

实现虚拟的技术有：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），显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

异步

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。

由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。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。

发展和分类

手工操作阶段：纸带作为输入输出手段，I/O慢，计算机处理快，用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

批处理阶段（单道批处理系统）：引入脱机输入/输出技术，并由监督程序负责控制作业的输入、输出，，通过外围机将程序提前存储到磁带中，缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率上升，但内存中仍只有一道程序在运行，CPU有大量时间等待I/O完成，资源利用率依旧不高。此时已有操作系统的雏形。

批处理阶段（多道批处理系统）：操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。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）
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：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。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，分为硬实时系统和软实时系统，前者必须在严格的规定时间完成处理，后者可以接收偶尔违反时间规定。

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。

运行机制

 处理器状态的切换：（1）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”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。（2）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。

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。

 

中断和异常

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。

中断分为内中断和外中断，前者与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部，如陷入指令；后者与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部，如时钟中断。

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。其中内中断CPU在执行指令时会检查是否有异常发生，外中断在每个指令周期末尾CPU都会检查是否有外中断信号需要处理。

系统调用

“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。

• 什么功能需要系统调用实现？

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（设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理），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。

• 系统调用的过程

传递系统调用参数 ->执行陷入指令（用户态）->执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态） ->返回

操作系统引导

（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

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