第一章 操作系统概述

一、什么是操作系统？

1、操作系统的概念

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。

2、计算系统的构成

用户:学生、软件工程师、职场白领、游戏玩家…
应用程序:微信、QQ、浏览器、杀毒软件、王者荣耀
操作系统:Windows、Mac OS、Linux、Android、iOS
硬件（裸机）:CPU、内存、鼠标、键盘

3、主要作用

管理与配置内存
决定系统资源供需的优先次序
控制输入设备与输出设备
操作网络与管理文件系统等基本事务
提供一个让用户与系统交互的操作界面

二、操作系统有哪些功能？

1、操作系统的目标

1.有效性
计算机系统非常昂贵，提高计算机系统的资源利用率和吞吐量是第一目标
(1) 提高系统资源利用率
使CPU、I/O设备等各种闲置资源得到充分利用
(2) 提高系统的吞吐量
合理组织计算机的工作流程，进一步改善资源的利用率，加速程序的运行， 缩短程序的运行周期
2.方便性
配置OS后可使计算机系统更容易使用
机器语言->命令->图形界面操作
3.可扩充性
随着技术的发展，计算机系统软硬件的更新迭代，对操作系统的可扩充性提出更高的要求
适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求
4.开放性
随着计算机网络的发展，遵循国际标准（OSI）的软硬件可以互通互联
使来自不同厂家的计算机和设备能通过网络加以集成化，并能正确、有效地协同工作，实现应用的可移植性和互操作性

2、操作系统的功能

1.OS作为计算机系统资源的管理者

2.OS作为用户与计算机『硬件系统』之间的接口

3.OS实现了对计算机资源的抽象

三、操作系统有哪些特征？

OS的四个基本特征

并发
共享
虚拟
异步

1、并发性

概念： 同一时间间隔内执行和调度多个程序的能力
特点：
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）
关注单个处理机同一时间段内处理任务数量的能力
相似概念：并行

并发：同一时间间隔（时间段）发生的事件数量
午餐时段，学校餐厅并发用餐人数为12人

并行：同一时刻（时间点）发生的事件数量
同一时间点，学校餐厅最多并行3人打餐

2、共享性

即资源共享，系统中的资源供多个『并发执行』的应用程序共同使用

• 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，允许多个程序在同一个共享资源上独立而互不干扰的工作
  • 共享打印机、音频设备、视频设备

并发和共享互为存在条件
共享性要求OS中同时运行着多道程序

• 若只有单道程序正在运行，则不存在共享的可能

并发性难以避免的导致多道程序同时访问同一个资源

• 若多道程序无法共享部分资源（比如磁盘），则无法并发

3、虚拟性

时分复用技术（TDM，Time Division Multiplexing）

• 虚拟处理机技术：“四核八线程”
• 虚拟设备技术：虚拟打印机
  

空分复用技术（SDM，Space Division Multiplexing）

• 虚拟磁盘技术：将一块硬盘虚拟出若干个卷
• 虚拟存储器技术
  

4、异步性

多道程序环境下，允许多个程序并发执行；
单处理机环境下，多个程序分时交替执行；
程序执行的不可预知性

• 获得运行的时机
• 因何暂停
• 每道程序需要多少时间
• 不同程序的性能，比如计算多少，I/O多少

宏观上“一气呵成”，微观上“走走停停”

四、操作系统的运行机制是怎样的？

1、几个基本概念

内核程序 <- - -> 应用程序
核心态 <- - -> 用户态
特权指令 <- - -> 非特权指令

2、时钟管理

计时：提供系统时间
时钟中断：比如进程切换

3、中断机制

提高多道程序环境下CPU利用率
外中断：中断信号来源于->外部设备 被迫
内中断：中断信号来源于->当前指令 自愿
内中断的三种情况
陷阱/陷入（Trap）：由应用程序主动引发
故障（fault）：由错误条件引发
终止（abort）：由致命错误引发

中断处理过程

4、原语

原语运行在内核空间
由若干条指令组成—是一个程序段
用来完成某个特定功能
执行过程不会被中断—具有原子性

5、系统数据结构

一般只涉及到对数据结构的操作，不涉及硬件
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

6、系统调用

系统调用的处理运行在核心态
由操作系统实现，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