概念：

1.系统资源的管理者：实质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地工作和资源的分配

2.向上层提供方便易用的服务：以提供给用户和其他软件方便接口和环境

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

接口：

GUI：图形化接口

• 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命令、参数。

联机命令接口实例：=交互式命令接口（用户说一句，系统跟着做一句）

脱机命令接口：=批处理命令接口 

程序接口：可以子啊系统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

3.是最接近硬件的软件：他是计算机系统中最基本的系统软件

补充：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

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四个特征：

并发：

概念：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

易混淆：并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生

作用：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：

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同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行执行

共享：

概念：即资源共享，是指系统中地资源可供内存中多个并发执行地进程共同使用

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。宏观上来看，量比安都是在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取书就，从微观上来看，两个进程是交替访问硬盘的。

虚拟：

概念：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

“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

 

 异步：

概念：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。

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发展与分类：

手工操作阶段：

 主要缺点：用途用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率降低

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

 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有大量时间是在空闲等待I/0完成。资源利用率依然很低

多批道处理系统（操作系统开始出现）

   

 

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”状态不，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）【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

概念：计算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：用户请求可以被时间即时响应，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

概念：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

硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理【如：导弹控制系统、自动驾驶系统】

软实时系统：能接受偶尔违反时间规定【如：12306火车订票系统】

网络操作系统

分布式操作系统

个人计算机操作系统

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运行机制

预备知识：

程序是如何运行的？

程序运行的过程其实就是CPU执行的一条一条的机器指令的过程 

应用程序：是我们普通程序员写的程序

内核程序：微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的就是“内核程序”

内核：是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分

特权指令V.S.非特权指令

概念：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执行一条指令前就能判断出其类型

内核态V.S.用户态

内核态【核心态】【目态】：当CPU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

用户态【管态】：当CPU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

拓展：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”

内核态->用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU得 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其强行夺回CPU的使用权【除了非法使用权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号】

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中断和异常

作用：

• 在合适的情况下，操作系统的内核会把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

• 中断会使CPU由用户态变为内核态，是操作系统重新夺回对CPU的控制权

类型：

内中断【异常】：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

例子：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

陷入指令：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

• 陷阱、陷入（trap）:由陷入指令引发，是应用程序故意引发的

• 故障(fault):由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障

• 终止（abort）:由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：整数0、非法使用特权指令

外中断【中断】：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

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基本原理：

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概念：不同的中断信号，需要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

显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”

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系统调用

概念：

操作系统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或获得操作系统内核的服务

与库函数的区别：

意义：

 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

分类：

• 设备管理：完成设备的请求/释放/启动等功能

• 文件管理：完成文件的读/写/创建/删除等功能

• 进程控制：完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能

• 进程通信：完成进程之间的消息传递/信号传递等功能

• 内存管理：完成内存的分配/回收等功能

过程：

 

 大致过程：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）->返回应用程序

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. 发出系统调用请求实在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

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结构：

大内核（宏内核、单内核）：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

作用：

• 内核是操作系统最基本、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

注意：

• 操作系统内核需要运行在内核态

• 操作系统的飞内核功能运行在用户态

• 变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

分类：

• 进程管理

• 存储器管理

• 设备管理

• 微内核（时钟管理、存储器管理、原语）

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存在内核

分类：

• 时钟管理

• 中断处理

• 原语（设备驱动、CPU切换等）

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

分层结构：

概念：

• 最底层是硬件，最高层是用户接口

• 每层可调用更低一层

优点：

便于调试和验证，自底向上逐层调试验证

易扩展和易维护，各层之间调用接口清晰固定

缺点：

• 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界

• 效率低下，不可跨层调用，系统调用执行时间长

模块化：

概念：

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法成为模块-接口法

可加载内核模块:可以动态加载新模块到内核，而无需要重新编译整个内核

主模块：只负责核心功能，如进程调度，内存管理

 优点：

1. 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发

2. 支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核，增强OS适应性）

3. 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信、效率高

缺点：

1. 模块间的接口定义未必合理、实用

2. 模块间相互依赖，更难调试和验证

外核：

概念：内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保护资源使用安全 

优点：

1. 外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源

2. 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率

缺点：

1. 降低了系统的一致性

2. 使系统变得更加复杂