1.1 操作系统
1.1.1 操作系统的概念和功能
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
。
功能和目标
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
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
。例如,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 =交互式命令接口:用户说一句,系统跟着做一句.例如,执行
cmd
的相关命令 - 脱机命令接口 =批处理命令接口:用户说一堆,系统跟着做一堆.例如,执行以
bat
后缀的文件 - 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”
③是最接近硬件的一层软件
需要实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机称为裸机
。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
1.2 操作系统的特征
基本特征
并发、共享、虚拟、异步
并发
两个或者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
使得系统具有处理和调度多个程序同时执行的能力
操作系统的并发是通过分时实现的
注意 :并发是指在一个时间段
,并行是指在同一个时刻
,并行是指系统具有同时执行或操作(硬件支持:多流水线或者多处理机)
- 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
互斥
共享方式: 例如打印机、磁带, 同一时刻只能供一个进程对资源进行访问 。这种资源称作:临界资源或者独占资源同时
访问方式: 一段时间内允许多个进程对资源进行访问 ,典型代表:磁盘设备重入码编写的文件
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。
虚拟处理器:采用多道程序并发
的方式,让每个终端用户感觉到有多个处理器 时分复用技术
虚拟存储器:将物理存储变为虚拟存储器,逻辑上扩充存储器用 空分复用技术
也可以将一台IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备,并允许每个用户占用一台逻辑上的IO设备
异步
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,多道程序走走停停
,进程以不可预知的速度向前进
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。
- 故并发性和共享性
互为存在条件
并发和虚拟的关系
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
并发和异步的关系
只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。
1.3 操作系统的发展与分类
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
单道批处理
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。
多道批处理
- 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)
分时操作
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
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。
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。
1.4 操作系统的运行机制
运行机制
两种处理器状态:内核态 & 用户态
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**
- 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
- 处于内核态时,说明此时正在运行的是
- 内核态、用户态的切换
- 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 - 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
- 内核态--用户态:执行一条
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。
原语
原语是一种特殊的程序。是最接近硬件的部分,这种程序的运行具有原子性
。
大内核和微内核
操作系统的体系结构问题与企业的管理问题
很相似。
- 大内核 :企业初创时体量不大,管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高;缺点是组织结构混乱,难以维护。
- 微内核 :随着企业体量越来越大,管理层只负责最核心的一些工作。优点是组织结构清晰,方便维护;缺点是效率低
1.5 中断和异常
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
中断是让操作系统内核夺回CPU使用权
的唯一途径
中断的类型
- 内中断 : 与当前执行的指令
有关
,中断信号来源于CPU内部
- 外中断 : 与当前执行的指令
无关
,中断信号来源于CPU外部
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 系统调用
- 系统调用与库函数的区别
“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
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 操作系统的体系结构
- 典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统:
Linux、UNIX
- 典型的 微内核 操作系统:
Windows NT
-
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