操作系统之概述

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操作系统概念

操作系统（operation system，简称OS），是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。

例如，在windows上win+r快捷键，然后在弹出输入框输入CMD，显示的黑框框也是一个操作系统。（在这个窗口里，可以控制计算机的各种资源）

计算机系统构成

由用户、应用程序、操作系统、硬件这四部分组成。

• 操作系统向用户和应用程序提供接口。

  用户或应用程序可以通过这些接口访问计算机的硬件资源，如：用户开启或关闭声音、应用程序向操作系统申请磁盘空间或内存等行为。也就是说，操作系统通过封装具体的硬件细节形成接口，对于用户或应用程序而言是个黑盒，但是强大的封装性更易于被使用。

• OS是一种系统软件，担任以下角色

  1. 与硬件交互
  2. 对资源共享进行调度管理
  3. 解决并发操作处理中存在的协调问题
  4. 数据结构复杂，外部接口多样化，便于用户反复使用

• OS主要作用

  1. 管理与配置内存
  2. 决定系统资源供需的优先次序
  3. 控制输入设备与输出设备
  4. 操作网络与管理文件系统等基本事务
  5. 提供一个用户与系统交互的界面 => GUI

OS的目标和功能

• 目标

  1. 有效性：提高系统资源利用率、提高系统的吞吐量
  2. 方便性：方便用户使用
  3. 可扩充性：硬件不断发展，依然适配OS
  4. 开放性：兼容不同软件和硬件

• 功能

  1. 作为计算机系统资源的管理者

     

  2. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

     接口主要体现在三个方面：操作系统提供的程序接口（也就是系统调用）、操作系统提供的命令接口、操作系统的图形用户接口（GUI）

  3. 实现了对计算机资源的抽象

     抽象的含义就是：将复杂的硬件资源抽象成软件资源，从而提供对外接口的方式，也就是封装

  4. 举个例子

     浏览器搜索：浏览器会将需要将发送的内容组装成报文，再通过系统调用需要使用浏览器所在设备的网络设备进行远程通信

OS的特征

并发特征是共享、虚拟和异步的前提，其中共享和并发互为前提

• 并发是共享的前提

  如果只有单道程序运行，则不存在共享的可能。

• 共享是并发的前提

  如果多道程序无法共享部分资源（比如磁盘、网卡等），显然就没有并发这一说（因为相当于只有单道程序访问资源，自然无需调度和管理啦）

• 并发是虚拟的前提

  虚拟的目的就是表达出多道程序并发时的运行态。如果没有并发，自然虚拟就没有意义了

• 并发是异步的前提

  如果没有并发的多道程序，那么单处理机上的多道程序的分时占用处理机的情况就不会发生，自然就谈不上异步了。

并发

指的是同一时间间隔内执行和调度多个程序的能力

• 宏观上，处理机同时执行多道程序
• 微观上，处理机在多道程序间高速切换（分时交替执行）（毕竟操作系统的核是有限的，然后程序的数量显然要大于核的数量）

主要关注**单个处理机（单个核）**在同一时间段内处理任务数量的能力

并行与并发的区别：

并行指的是同一时刻发生，并发指的是同一时间段内发生

共享

指的是资源共享，系统中的资源供多个并发执行的应用程序共同使用（显然，共享的前提是并发）

• 同时访问方式：同一时段，允许多个程序同时访问共享资源
• 互斥共享方式：也叫独占式。允许多个应用程序在同一个共享资源上独立而互不干扰地工作

虚拟

指的是使用某种技术把一个物理实体变成多个逻辑上的对应物。

• 时分复用技术

  虚拟处理机技术、虚拟设备技术

  多道程序宏观上同时运行在多个核上，微观上是占用核的时间片之后，就会切换下一个应用程序来占用核的时间片，这样轮流工作就保障了多道程序同时运行。

• 空分复用技术

  虚拟磁盘技术（磁盘分区）、虚拟存储器技术

异步

指的是：多道程序环境下，允许多个程序并发执行；单个处理机环境下，多个程序分时交替运行；

加之程序运行的不可预知性（运行的时机、程序暂停、程序的运行时间、程序的性能）就会导致这样的状况：

• 宏观上，所有的程序好像是一直在一起在运行，但是实际上由于多道程序的存在，那么单个处理机就一定会出现多道程序的分时占用处理机运行，也就是说微观上其实是”走走停停“，也就是说多道程序不是同步完成的，而是异步完成的。

显而易见，只有并发出现的多道程序，才会导致分时占用处理机的异步情况发生

操作系统的发展与分类

1、手工操作阶段

  在计算机发展的初期，没有操作系统，人们只能依靠手工操作来使用计算机。

  举个栗子，很多年前，人先手工把专门的 “打孔纸” 打好孔，交给机器计算。因为计算机算的快，人手工打孔慢，这就造成了资源的浪费。如下图所示：

2、批处理阶段

单道批处理系统

单道批处理系统：一种引入了脱机输入/输出技术 ，并由监督程序负责控制作业输入和输出，但在工作期间只能对单份作业进行处理的系统。

接着举个栗子，这次我们把很多人手工打好的 “打孔纸” 先通过某种手段(卫星机/外围机)包装好，假设我们把它们包装到一盘“磁带”里。接着我们在把一盘接着一盘包装好的 “磁带” 独立地送入到计算机进行计算。如下图所示：

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。

多道批处理系统

多道批处理系统：也是一种引入了脱机输入/输出的技术 ，并由监督程序负责控制作业输入和输出，在工作期间能对多份作业同时进行处理的系统。

它就解决了 单道批处理系统 资源利用率依然很低的缺点

在接着举个栗子，在 “磁带” 都准备好后，我们在把一盘接着一盘包装好的 “磁带” 耦合地送入到计算机进行计算。如下图所示：

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。比如：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）。

3、分时操作系统

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。

它就解决了 多道批处理系统 不能人机交互的缺点

比如，由4个人在玩电脑，但他们用的是同一个分时操作系统。那么该系统就会按照 “①②③④①②③…” 的顺序轮流分 50ms 给每个用户使用。

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。

4、实时操作系统

实时操作系统：实时反映的一种操作系统，不像分时操作系统那样呆板。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。

实时操作系统有时还可以被分为：硬实时操作系统和软实时操作系统。

5、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。

这些操作系统的每一个抠出来单独讲的话，都是一门学问。我们在这里只了初步的了解。

操作系统的运行环境

操作系统的运行机制

操作系统其实也是一种程序，程序的执行过程也就是CPU执行一行行机器指令的过程。区别于一般程序员开发的应用程序，实现操作系统的程序就是内核程序。

1、内核程序&应用程序

内核程序：实现操作系统的程序称为内核程序，许多内核程序结合在一起便组成了操作系统内核。

应用程序：普通程序员借助编程工具以及高级语言所完成的程序叫做应用程序。

2、特权指令&非特权指令

**特权指令：**作为系统资源的管理者，操作系统可以使用一些直接关系重大的指令（内存清零等），这些指令被称为特权指令，而且应用程序没有办法直接使用特权指令，这保证了操作系统的安全。

**非特权指令：**应用程序可以使用的指令，如加减乘除指令等。

CPU在设计的时候便已经划分出了特权指令以及非特权指令，因此在执行这条命令前CPU就可以先判断指令的内容。

3、内核态&用户态

CPU有两种状态：内核态（或称核心态，管态）以及用户态（目态）。

• 当CPU处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序（CPU上加载的是内核程序，是操作系统这个管理者角色在发挥作用），此时可以执行特权指令；

• 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。在CPU中有一个寄存器叫做程序状态寄存器（PSW），该寄存器的01状态来表示此时处于内核态还是用户态。

下面我们来讲解一下，用户态与内核态之间是如何相互进行变化的。

内核态–>用户态：需要执行一条特权指令（指令内容是修改PSW寄存器状态），此时内核态转变为用户态，CPU主动让出使用权，CPU会去加载用户态。

用户态–>内核态：由“中断”引发，当CPU检测到中断时，操作系统会强制将CPU变为内核态夺回CPU使用权，再执行与中断有关的一系列操作。

下面我们用一个小栗子来解释一下这个过程：

1. 刚开机时，CPU 为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行
2. 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
3. 操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上CPU运行
4. 应用程序运行在“用户态”
5. 此时，一位黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统…
6. CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”
7. 这个非法事件会引发一个中断信号
8. “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权
9. 操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序

中断是操作系统夺回CPU使用权的唯一方式（也是由用户态切换到内核态的唯一方式）

4、操作系统的内核

当我们刚开始使用操作系统的时候，会发现一些程序并不是必需的（记事本等），这些程序称为操作系统的非内核功能，下图是将操作系统进行了更进一步的划分。

有人将内核划分为大内核以及微内核，这两种划分在不同的时期各有优势。下面用企业来类比一下操作系统：

内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层（内核程序）才能执行特权指令，普通员工（应用程序）只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接。

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。

5、小结

需要注意的是：特权指令只能在核心态下执行； 内核程序只能在核心态下执行。

操作系统的重要部件和机制

0、时钟

操作系统的时钟是一个很重要的核心部件。CPU时间片的计时、系统本身计时等

1、中断

操作系统会响应中断信号强制夺回CPU使用权，使用户态转换为内核态。**中断是操作系统夺回CPU使用权的唯一方式，**如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，其他程序就没有办法再使用CPU，这样的话就不存在并发机制了。一般来说，中断分为两种情况即内中断和外中断。

内中断

包括：陷入（由应用程序主动引发，如应用程序的系统调用）、故障（由错误条件引发）、终止（由致命错误引发）

内中断（也称异常）与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。比如，当用户妄图执行特权指令时，CPU便会产生中断，由用户态变为内核态；再比如，当进行除法运算除数为0时同样会发生错误，产生中断。总的来说，就是当前指令是非法的指令，那么一定会引起中断。

当应用程序想要进行一次系统调用使用内核的服务时，会执行一条**陷入（trap）**指令，陷入指令会引发一条中断信号，操作系统就会夺回CPU的使用权，也就是说，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。

例如，一个读文件的应用程序开始运行时，并不是由应用应用程序来读取系统文件，而是该应用程序执行到读文件这一段程序时，自己会发生中断，之后操作系统产生陷入指令，再之后执行操作系统的特权指令进行读取

外中断

外中断与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。每次在一条指令结束之后CPU都会检查是否有外中断信号。比如时钟信号，或者I/O设备都可以发出外中断信号。

中断分类

中断的原理：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。所以，显然中断处理程序一定是内核程序，工作在内核态。

中断处理过程

1. 关中断

   CPU不再响应高级中断的请求

2. 保存断点

   断点指的是PC（或叫IP，也就是执行程序的地址）

3. 引出中断程序

   每个中断都会有一个中断程序，拿到中断程序的地址，但并没有开始执行中断程序

4. 保存现场和屏蔽字

   将中断前CPU的所有状态，包括：寄存器的值等现场数据进行保存，方便后续中断执行完毕，CPU现场的恢复

5. 开中断

   可以响应其他中断请求

6. 执行中断程序

7. 再关中断

8. 恢复现场和屏蔽字

9. 开中断

在上面的中断处理过程中，只有执行中断程序的过程里CPU才能去响应其他中断信号，其余阶段都不能响应。

2、原语

由若干条指令组成的一个程序段，用以完成某个特定的功能，且执行过程中不会被中断，也就是说具备原子性

本质上就是多条指令的封装，通过中断机制里的开关中断来实现

3、系统数据结构

• 进程管理：作业控制块、进程控制块
• 存储器管理：存储器分配与回收
• 设备管理：缓冲区、设备控制块

4、系统调用

• 有操作系统实现，给应用程序调用
• 是一套接口的集合
• 应用程序访问内核服务的方式
• 会导致内核从用户态切换到内核态

如拷贝问题：我如果频繁的读取某项数据，会导致用户态和内核态频繁的切换，就比较消耗资源。可以通过零拷贝的方式来避免这种情况的发生

虽然出现了用户态和内核态，比较消耗资源，但是更加安全，避免用户态的肆意妄为导致系统崩溃掉

操作系统的结构设计

大内核OS结构-传统的操作系统结构

• 无结构OS

  • 设计基于功能实现和获得高的效率
  • OS是为数众多的一组过程的集合
  • OS整体无结构（程序之间）
  • 程序内部代码无结构（goto语句非常多）

• 模块化OS

  模块的独立性

  • 模块大小的划分
  • 衡量模块独立性的指标
  • 内聚性：模块内部各部分间联系的紧密程度
  • 耦合度：模块间相互联系和相互影响的程度

  模块化OS的优点

  • 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性
  • 增强OS的可适应性
  • 加速OS的开发过程

  模块化OS的缺点

  • 设计时对模块的划分与接口的规定不精确
  • 模块间存在复杂依赖关系

• 分层式OS

  分层设计的基本原则：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务。

  分层设计考虑的因素

  • 程序嵌套 作业调度/进程控制/内存分配
  • 运行频率 频率高-> 低层（速度快）时钟管理
  • 公共模块
  • 用户接口 最高层

微内核OS结构

微内核技术：精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核，它与一般OS不同，更小更精练，运行于核心态，开机后 常驻内存。但是微内核并不是完成的操作系统，只是抽出了操作系统最核心部分的功能

微内核OS结构的特征

• 以微内核为OS核心
• 以客户/服务器为基础
• 采用面向对象的程序设计方法