操作系统

王道考研操作系统课程笔记以及一些个人见解

概念、功能、目标

最基础的：裸机（纯硬件）（需要学习计算机组成原理）

然后：裸机+操作系统 就是我们新买的电脑了

然后：安装应用程序

这些我们都知道：那什么是操作系统？

抄别人的话就是：

1.负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作

2.为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务(我们觉得windows亲切)

3.操作系统是系统软件、不是硬件

用大白话，大多数人你只有装了操作系统，你才会用，你才能打游戏，用电脑上网。有点像我们要做Java开发，就要有JKD JRE环境一样

操作系统定义

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。

功能目标

作为系统资源的管理者：

处理、存储、文件管理、设备管理都是它的工作

你是不是首先会想到有一个功能是调度进程工作，开一个进程操作系统怎么做？

执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。他也得统一分配我们的设备

作为用户和计算机硬件之,间的接口：

需要提供命令接口(有联机命令接口和脱机命令接口)、程序接口、GUI

那么什么叫联机命令接口？===>cmd 这种交互式的

什么叫脱机命令接口？====>bat文件，就是我们的批处理命令接口，有一堆指令

程序接口:如C: \Windows \System32\user32**. dll**程序员在程序中调用user32. dll (该调用过程即为
系统调用)即可实现创建 窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。

操作系统的特征

操作系统的四大特征

并发、共享、虚拟、异步，并发、共享是最基本的特征，两者互为存在条件

并发

这个不用多说了吧，直接放一段PPT介绍吧

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。

操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(这些
程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行)

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。

分为互斥共享、同时共享，就字面意思

诶，有没有那味儿了？是不是在那见过这个，这句话很熟悉，工作内存和主内存好像就是这个区别的吧，主内存可以共享，但是工作内存只能本进程、实例用。

他俩什么关系呢？

如果同一时间段内，俩程序工作都要用内存、硬盘数据，你品、细品，如果缺少某一个条件，不能并发：那你共享个屁，缺少共享：同一时间段两者怎么发送同一个文件

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若千个逻辑上的对应物。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。

这点emmm品吧，不好举例子，抄人家的例子吧

背景知识:一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

假如LOL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…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?

运用虚拟技术中的“空分复用技术”

某单核CPU的计算机中，用户打开了以下软件。…… LOL QQ 斗鱼 网抑云音乐

为啥能同时用呢？

事实上确实只有一个单核CPU工作，怎么伪装成了4个CPU呢？

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

这些技术，后面会详细提及

假如，电脑不能并发，那虚拟技术还干啥？需要他么？

异步

异步我们在开发中是不是经常遇到？异步请求、异步交互。那这里的异步跟我们的计算机操作系统的异步特征一样么？

我还是抄一段定义

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。emmm不一样，这有点像阻塞啊

OS的发展与分类

抄图看一下

手工操作阶段

没操作系统，只能写机器代码

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

单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术(用磁带完成)，并监督程序负责控制作业的输入、输出

这个监督程序就是操作系统的雏形
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/0完成。资源利用率依然很低。

多道批处理系统

也就是每次往内存输入多道程序，操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程
序的运行。各个程序并发执行

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)

为何多到皮处理系统能使资源利用率大幅提升？？

拿视频中的例子

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。

诶，这一点熟不熟悉，是不是我们的线程工作有一个什么时间片轮转的方式工作？

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。不就是能插队么？

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

实时操作系统又分为，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)

其他的操作系统

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。

运行机制、体系结构

两种指令

特权指令：如内存清零指令(不允许用户使用)

非特权指令：如普通的运算指令

CPU怎么判断是否可以执行特权指令呢？

两种处理器的状态

用户态：又称目态

核心态：又称管态

用程序状态字寄存器(PSW)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

我们是不是也在那听说过这两个词？

两种程序

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。

应用程序：为了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

操作系统内核

最接近底层的操作系统的一部分称为内核

我抄张图

内核又可以分为时间管理、中断处理、原语(装备驱动、CPU切换等)

时钟管理：实现计时器功能、我们常见的什么进程切换、进程调度基于时钟管理

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。运行时间短、频繁调用

有的操作系统不把这部分功能(进程管理、存储器管理、设备管理等功能)归为“内核功能”。也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样

体系结构

我抄一张图

大内核：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

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留在内核
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