操作系统的概念：①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；②提供给用户和其他软件方便的接口和环境；③是计算机中最基本的系统软件

功能和目标：

①操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能?

功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理

目标：高效

②操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能?

功能：命令接口（联机命令接口（交互式命令接口）、脱机命令接口（批处理命令接口））、程序接口（由一组系统调用组成，即通过程序间接调用）、GUI（图形用户界面）

目标：方便用户使用

③操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能?

功能与目标：实现对硬件机器的拓展

操作系统的特征：并发、共享（互斥共享方式、同时共享方式）、虚拟（空分复用技术、时分复用技术）、异步

并发与并行：并行指两个或多个事件同一时刻同时发生，并发是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，微观上是交替发生的

互斥共享方式：一时间段内只允许一个进程调用资源

同时共享方式：允许一时间段内多个进程“同时”对它们进行访问

空分复用技术：虚拟存储技术

时分复用技术：虚拟处理器技术

异步：进程以不可预知的速度向前推进

并发与共享是相互存在的条件，并发与共享是操作系统最基本的两个特征、并发是虚拟存在的条件、并发是异步存在的条件

操作系统的发展与分类：

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

②批处理阶段——单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术（由磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入与输出；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l/o完成。资源利用率依然很低。

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)

④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，各个用户可以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。

⑤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

实时操作系统分为硬实时系统（必须在绝对严格的规定时间内完成处理）和软实时系统（能接受偶尔违反时间规定）

⑥其他操作系统：网络操作系统：将网络中各计算机结合起来，实现网络中资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信；分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性，系统中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：方便个人使用

操作系统的运行机制和体系结构

两种指令、两种处理器状态、两种程序

指令：特权指令和非特权指令

处理器状态：用户态（目态，CPU只执行非特权指令）和核心态（管态，可执行特权指令也可执行非特权指令）；由程序状态字寄存器（RSw）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态

程序：内核程序（操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。）和应用程序（为保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态）

计算机系统层次图

操作系统的内核

操作系统的体系结构：大内核和微内核

大内核：是将操作系统中的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态；优点：高性能；缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核：只把基本的功能保留在内核；优点：内核功能少，结构清晰，便于维护；    缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

中断与异常

概念与作用：发生了中断意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于 操作系统的管理工作（比如分配I/O设备）需要使用特权指令，因此 CPU需要从 用户态转换到核心态；中断可以让CPU从用户态转换到核心态，使操作系统获得计算机的控制权；有了中断，才能实现多道程序并发执行

用户态到核心态是 通过中断实现，并且 中断是唯一路径；核心态到用户态切换是通过 执行一个特权指令， 将程序状态字设置为“用户态”

中断的分类：内中断（也称异常、例外、陷入）与外中断（狭义上的中断）

内中断（信号的来源：CPU内部与当前执行的指令有关，来自CPU内部）：自愿中断——指令中断（系统调用时使用的访管指令，又称陷入指令）和强迫中断（硬件故障，比如缺页和软件中断，比如整数除0）

外中断（信号的来源：CPU外部与当前执行的指令无关，来自CPU外部）：外设请求（I/O操作完成发出的中断信号）和人工干预（用户强制终止一个进程）

补充：内中断另一种分类方式：陷阱、陷入（如系统调用）、故障（如缺页）和终止（整数除0）

外中断的处理过程：执行完每个指令后，CPU都要检测是否有外部中断信号；如果检测到有外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字等）；根据中断信号类型转入相应的中断处理程序；恢复原进程的CPU环境退出中断，返回原程序向下执行

系统调用

概念与作用：应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。

系统调用与库函数的区别：系统调用是操作系统向上层提供的接口，有的库函数是对系统调用的进一步封装，当今编写的应用程序大多是通过高级语言提供的库函数间接地进行系统调用

系统调用的背后：

陷入指令是在用户态执行的，但在执行完毕后会立即引发一个内中断，从而使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，而不可在核心态执行的指令

进程的定义;程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。PCB是进程存在的唯标志

系统为每个运行的程序配置一个数据结构，成为进程控制块（PCB），用以描述进程的各种信息（比如程序代码存放的位置）

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位；严格意义上，进程实体与进程不一样，进程实体是静态的，进程是动态的。一个进程是由程序段、数据段、PCB三部分组成

进程的组成：程序段+数据段+PCB（进程管理者所需要的数据都在PCB中）

程序段：存放要执行的代码

数据段：存放程序运行过程中处理的各种数据

PCB:

进程的组织：链接方式（按照进程状态将PCB分为多个队列，操作系统将持有指向各个队列的指针）和索引方式（根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统将持有各个索引表的指针）

链接方式：执行指针（指向当前处于运行态的进程）；就绪队列指针（指向当前处于就绪态的进程，通常会把优先级高的进程放在前面）；阻塞队列指针（ 指向处于阻塞态的进程）

索引方式：执行指针、就绪表指针和阻塞态指针

进程的特征：

动态性：进程的最基本特征，进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的

并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行

独立性： 进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位

异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进,操作系统要提供"进程同步机制"来解决异步问题； 异步性会导致并发程序执行的不确定性

结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成

进程的状态和转换：

三种基本状态： 运行态：占有CPU，并在CPU上运行； 就绪态：已经具备运行条件，但没有空闲CPU而暂时不能运行； 阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行

另外两种状态：创建态（进程正在被创建，操作系统为进程分配资源，初始化PCB）和终止态（进程正在被系统撤销，操作系统会回收进程拥有的资源，撤销PCB）

进程状态的转换：

就绪态→ 运行态，进程被调用

运行态→ 就绪态，时间片到，或CPU被其他高优先级的进程抢占

运行态→ 阻塞态，等待系统资源分配，或等待某事件发生（主动行为）

阻塞态→ 就绪态，资源分配到位，等待事件发生（被动行为）

创建态→ 就绪态，系统完成创建进程相关的工作

运行态→ 终止态，进程运行结束，或在运行过程中出现不可修复的错误

线程的实现方式：

用户级线程：用户级线程由应用程序通过 线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换)

用户级线程中，线程切换可以在 用户态下即可完成，无需操作系统干预。用户级线程对用户不是透明的，操作系统内核感受不到线程的存在

内核级线程：内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

注意：操作系统只看得见内核级线程，所以内核级线程才是处理机分配的单位

多线程模型：

多对一模型：多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高

缺点:当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

一对一模型：一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

优点:当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

多对多模型：n用户及线程映射到m个内核级线程（n >= m）。每个用户进程对应m个内核级线程。

优点：克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。