操作系统笔记1
操作系统的概念
从下往上看，分为裸机，操作系统，应用程序，用户
操作系统是最接近硬件的层次
进程是一个程序的执行过程，执行前需要将该程序放到内存中才能被CPU处理
操作系统提供的接口：作为用户和计算机硬件之间的接口
- 命令接口：允许用户直接使用
- 程序接口：允许用户通过程序间接使用（系统接口=系统调用）
- GUI：图形化窗口(用户图形界面)
命令接口
分为联机命令接口和脱机命令接口
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
操作系统的四个特征
- 并发
- 共享
- 虚拟
- 异步
其中并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件
并发
两个或多个时间在同一个时间间隔内发生，这些事件宏观上是同时发生的，但是微观上是交替发生的。
一个单核的CPU同一时刻只能运行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行，所以操作系统的并发性指的是：计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
并行：多核CPU，可以同时处理多个程序。但是操作系统的并发性依然必不可少
共享
资源共享，指系统中的资源可以共内存中多个并发执行的进程共同使用
共享方式：互斥共享方式和同时共享方式
互斥共享方式：一段时间内只能允许一个进程访问该资源
同时共享方式：系统内某些资源，允许多个进程同时对它们访问
虚拟
把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。
例子：电脑内存只有4GB，但是实际上可以同时运行大于4GB的程序，这就是虚拟存储器技术。
所以在用户看来有更大的内存在使用，这个是空分复用技术
例子：对于1个CPU的内核，可以同时运行多个程序，用户看起来像有多个CPU在处理
这个是，虚拟技术中的”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。
可以容易看出来，没有并发性就没有虚拟性
异步
在多个程序的环境下，允许多个程序的并发执行，但是由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是”走走停停”，这就是程序进程的异步性
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
操作系统的发展与分类
手工操作阶段
缺点：用户独占全机，人机速度矛盾
批处理阶段：单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术，并监督程序负责控制作业的输入、输出
CPU有大量的时间在空闲等待I/O
多道批处理系统
每次往内存中输入多道程序，由操作系统负责管理这些程序的运行，各个程序并发处理
优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升，CPU和其他资源保持忙碌的状态，系统吞吐量增大
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交互。用户请求可以被即时相应，结局了人机交互的问题。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
缺点：不能优先处理一些紧急任务，操作系统对各个用户都是完全公平的，循环的为各个用户服务一个时间片，不区分任务的紧急性
实时操作系统：
优先响应一些紧急的任务，某些紧急任务不需要时间片排队
分为：1.硬实时系统（严格的规定时间内完成处理） 2.软实时系统（偶尔违反时间规定）
操作系统的运行机制和体系结构
预备知识
什么是_指令_：
C语言代码–>翻译为机器语言指令
指令分为：1.特权指令2.非特权指令
CPU通过判断处理器的状态：1.用户态2.核心态来判断执行特权指令和非特权指令
两种程序：1.内核程序2.应用程序
内核程序：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：只能执行非特权指令，运行在用户态
操作系统的内核
操作系统可以再细分，最接近硬件层次的是内核，其余部分是非内核功能
内核又可以细分：
- 对系统资源进行管理的功能：进程管理、存储器管理，设备管理等功能
- 时钟管理，中断处理，原语（设备驱动，CPU切换）
时钟管理：实现计时功能
原语：是一种特殊的程序，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，调用频繁
操作系统分法：大内核和微内核
中断和异常
中断机制的引入实现了多道程序并发执行的本质：发生中断就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作。
流程：
用户态：CPU收到计时部分发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理
—–>
核心态：操作系统介入，由用户态变为核心态，对中断进行处理。
当中断发生时，CPU立即进入核心态
原因：由于操作系统的管理工作（进程切换和分配I/O设备等）需要使用特权指令。因此CPU要从用户态转为核心态
中断发生后：当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
有了中断，才能实现多道程序并发执行
用户态切换为核心态是通过中断唯一实现
核心态到用户态通过执行一个特权指令，将程序状态字(PSW)的标志位设置为用户态
中断的分类
分为：内中断和外中断
内中断（中断信号来源CPU内部，与当前执行指令有关）
自愿中断：指令中断
强迫中断:硬件故障，软件中断
外中断（中断信号来自外部，与当前执行的指令无关）
外设请求:I/O操作完成发出的中断信息
人工干预：用户强行终止一个进程
外中断的处理过程：
其中需要注意的是，检测到中断信号的时候，需要保护被中断进程的CPU环境！！
系统调用
知识回顾：操作系统提供了很多的接口，其中程序接口就是由一组系统调用组成的
系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，应用程序可以发出系统调用来获得操作系统的服务
作用：用户程序操作的过程中，凡是涉及到与资源相关的
分类（按功能分类）
系统调用的相关处理涉及到对系统资源的管理，对进程的控制，这些功能需要执行一些
特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行
系统调用和库函数区别
系统调用背后的过程：
注意中的3条非常重要
