第一章基本概念
1.1 概念功能
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的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。
系统资源的管理者：
提供功能
处理机管理
存储器管理
文件管理
设备管理
目标
安全，高效
向上层提供方便易用的服务：用户无需关心底层硬件的原理。
实现对硬件机器的拓展，通常把覆盖了软件的机器称为扩展机器（虚拟机）。
GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）
联机命令接口=交互式命令接口（人一句，机器一句）
windows ：win+R，输入cmd
脱机命令接口=批处理命令接口
windows ：C盘中的*.bat文件
程序接口
可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。
1.2特征，发展和分类
1.特征
并发
定义：指两个或多个事件在同一时间间隔内发送。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“运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，二微观上看是交替运行的。
操作系统就是伴随着”多道程序技术“而出现，因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。
注意
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行。
共享
互斥共享
系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程试题，但一个事件段内只允许一个进程访问该资源。
同时共享方式
系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程”同时“对他们进行访问。
虚拟
是指把一个物理上的实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。
一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。
空分复用技术（虚拟存储器技术）和时分复用技术（虚拟处理器）。
并发是虚拟的基础。
异步
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。
2. 发展
手工操作阶段（1940年代-1950年代）
早期计算机没有操作系统，所有的操作都是通过手工进行的。
单任务操作系统（1950年代-1960年代）
早期操作系统如IBM的OS/360，可以管理批处理任务。
多道程序与分时系统（1960年代）
多道程序设计使得计算机可以同时运行多个程序。
分时系统允许多个用户通过终端同时使用一台计算机。
个人计算机操作系统（1970年代-1980年代）
如CP/M、MS-DOS等，它们是单用户、单任务的操作系统。
图形用户界面（GUI）操作系统（1980年代）
苹果的Mac OS和微软的Windows操作系统将图形用户界面推向普及。
现代操作系统（1990年代至今）
如Windows、Linux、macOS等，提供了多任务、多用户、网络功能和安全机制。
3. 分类
根据用户数量分类
单用户操作系统：一次只能由一个用户使用，如MS-DOS、早期版本的Mac OS。
多用户操作系统：允许多个用户同时使用，如Unix、Linux。
根据任务处理方式分类
单任务操作系统：一次只能运行一个任务，如早期的操作系统。
多任务操作系统：可以同时运行多个任务，如Windows、Linux。
根据指令处理方式分类
批处理操作系统：批量处理任务，用户不直接与计算机交互。
交互式操作系统：用户可以与计算机进行交互，如现代的GUI操作系统。
根据硬件架构分类
大型机操作系统：如IBM的MVS。
小型机操作系统：如Unix。
个人计算机操作系统：如Windows、macOS。
嵌入式操作系统：如Android、iOS。
根据源代码的开放性分类
开源操作系统：源代码公开，如Linux。
闭源操作系统：源代码不公开，如Windows。
根据操作系统的用途分类
通用操作系统：适用于多种用途，如Windows、Linux。
实时操作系统：用于需要及时响应的系统中，如航空控制系统。
网络操作系统：专为网络环境设计，如Novell NetWare。
1.3 运行机制
1. 特权指令和非特权指令
特权指令：
特权指令是只能由操作系统在核心态执行的一类指令。
这类指令可以执行硬件相关的操作，如设置中断、访问硬件状态寄存器、启动I/O操作等。
它们对系统的稳定和安全至关重要，因此不能在用户态执行，以防止用户程序破坏系统的稳定。
非特权指令：
非特权指令是用户程序在用户态可以执行的指令。
这类指令通常涉及数据处理，如算术运算、逻辑运算、数据传输等，不直接与硬件打交道。
它们不会直接影响到系统的稳定性和安全性。
2.处理器状态：核心态与用户态
核心态（也称为系统态或特权态）：
当处理器处于核心态时，它可以执行所有的机器指令，包括特权指令和非特权指令。
操作系统在核心态运行，可以完全控制硬件资源。
在发生中断或系统调用时，处理器会从用户态切换到核心态。
用户态：
用户态是一种限制模式，处理器在这种状态下不能执行特权指令。
大多数应用程序在用户态运行，这样可以防止它们执行可能破坏系统操作或安全性的操作。
当应用程序需要执行特权操作时，它必须通过系统调用请求操作系统以核心态代为执行。
拓展：
CPU中有一个寄存器叫：程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制，1表示”内核态“，0表示”用户态“。
别名：内核态=核心态=管态，用户态=目态。
3. 内核程序和应用程序
内核程序：
内核程序是操作系统的一部分，它们运行在核心态。
它们负责管理系统资源，如内存管理、进程调度、文件系统操作等。
内核程序通常具有最高的执行优先级，并且直接与硬件交互。
应用程序：
应用程序是用户在计算机上执行的各种程序，如文字处理软件、游戏、网页浏览器等。
它们在用户态下运行，并通过系统调用与操作系统交互，以执行需要特权权限的操作。
应用程序不能直接访问硬件资源，必须通过操作系统提供的服务来间接访问。
1.4 中断和异常
1.中断的作用：
响应外部设备请求：当外部设备如硬盘、网络适配器等完成操作需要CPU介入时，会通过中断信号通知CPU。
协调多任务处理：操作系统利用中断机制实现任务切换，合理分配处理器时间给不同的任务。
错误处理：当硬件故障或软件运行出错时，系统可以通过中断来处理这些异常情况。
系统调用：在用户态程序需要操作系统服务时，可以通过中断触发系统调用。
中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。
2.异常的作用：
错误处理：异常用于处理程序中的错误，如除以零、地址越界等。
资源分配：某些异常用于处理资源请求，如缺页异常。
程序控制：异常可以用于改变程序的控制流程，如软件中断指令。
3.中断的类型：
硬件中断：由硬件设备产生，如I/O请求、时钟中断等。（外中断）
软件中断：由执行中断指令（INT）产生，如系统调用。（内中断）
异常：在处理器执行指令时产生的错误，如溢出、页错误等。
陷阱（也是一种异常）：由程序故意引发的，如调试中断。
故障（也是一种异常）：可能被故障处理程序修正的错误。
终止（也是一种异常）：不可恢复的错误，通常会导致程序终止。
陷入指令不是特权指令。
4.中断机制的基本原理：
中断请求：当事件发生时，中断源会向CPU发送中断请求（IRQ）。
中断识别：CPU在每条指令执行完毕后检查是否有中断请求。
中断响应：如果检测到中断请求，CPU会完成当前指令的执行，然后暂停当前程序的执行，保存当前处理器的状态（如程序计数器、寄存器等），这个过程称为中断响应。
中断处理：CPU根据中断向量表中的信息，跳转到对应的中断服务例程（ISR）执行，以处理中断。
恢复执行：中断服务完成后，CPU恢复之前保存的处理状态，继续执行被中断的程序。
1.5 系统调用
1.什么是系统调用：
系统调用（System Call）是应用程序请求操作系统提供服务的唯一方式。在Unix、Linux、Windows等操作系统中，系统调用是应用程序与操作系统内核之间的接口。通过系统调用，应用程序可以执行文件I/O、进程管理、网络通信等操作，这些操作通常需要更高级别的权限，普通应用程序无法直接执行。
2.系统调用和库函数的区别：
来源：
系统调用：由操作系统提供，是操作系统内核的一部分。
库函数：由标准库或第三方库提供，是用户空间的应用程序代码。
执行：
系统调用：直接在内核态执行，可以执行特权操作。
库函数：在用户态执行，通常是对系统调用的封装，不能执行特权操作。（也会有涉及系统调用的库函数）
性能：
系统调用：通常比库函数慢，因为它涉及到从用户态到内核态的切换。
库函数：通常更快，因为它们在用户空间执行，避免了上下文切换。
功能：
系统调用：提供了对硬件和系统资源的直接访问。
库函数：提供了更高级别的抽象，简化了编程。
3.为什么系统调用是必须的：
权限管理：系统调用允许应用程序在受控的方式下执行特权操作，如访问硬件资源、创建和销毁进程等。
资源共享：系统调用确保多个应用程序可以安全地共享系统资源，如内存、文件等。
抽象和封装：系统调用为应用程序提供了操作系统服务的抽象，使得应用程序不必关心底层硬件细节。
稳定性和安全性：通过系统调用，操作系统可以控制对系统资源的访问，防止恶意或错误的应用程序破坏系统。
4.什么功能要用系统调用实现：
文件操作：如打开、读取、写入、关闭文件。
进程管理：如创建、终止进程，以及进程间通信。
内存管理：如分配和释放内存。
设备控制：如操作硬件设备。
网络通信：如建立网络连接、发送和接收数据。
权限控制：如更改文件权限或用户身份。
5.系统调用的过程：
应用程序请求：应用程序执行一条特殊的指令（如x86架构的
int 0x80或sysenter指令）或使用特定的函数调用（如在POSIX系统中使用syscall指令），请求系统调用。用户态到内核态：处理器从用户态切换到内核态，以便执行特权操作。
参数传递：应用程序将系统调用的编号和参数传递给内核。
系统调用处理：内核根据系统调用编号找到对应的处理程序，并执行它。
执行操作：系统调用处理程序在内核空间执行请求的操作。
返回结果：操作完成后，系统调用将结果返回给应用程序，并可能返回一个状态码表示操作的成功或失败。
恢复用户态：处理器从内核态切换回用户态，应用程序继续执行。
1.6 操作系统体系结构
1.大内核（Monolithic Kernel）
定义：大内核体系结构将操作系统的所有核心服务（如进程管理、文件系统、设备驱动程序、内存管理等）都集成在单一的内核空间中。
特点：
效率：由于所有服务都在内核空间运行，它们之间的通信非常快速。
复杂性：随着功能的增加，内核的大小和复杂度也会增加，导致维护和更新困难。
稳定性：一个组件的故障可能会影响整个系统的稳定性。
2.微内核（Microkernel）
定义：微内核体系结构只将最基本的操作系统服务（如进程和通信管理）保留在内核中，其他服务（如文件系统、设备驱动程序）则作为用户空间的进程运行。
特点：
安全性：由于内核较小，潜在的攻击面减少，系统更安全。
灵活性：更容易添加或修改系统服务，因为它们运行在用户空间。
性能：由于许多服务在用户空间运行，可能存在性能开销，因为需要频繁地在用户态和内核态之间切换。
3.分层结构（Layered Structure）
定义：分层结构体系结构将操作系统服务分为多个层次，每一层只与它下面的层次交互。
特点：
模块化：每个层次都可以独立开发和测试。
易于理解：层次分明，便于理解系统的结构和功能。
性能影响：过多的层次可能导致性能下降，因为每一层都可能引入额外的开销。
4.模块化（Modular Kernel）
定义：模块化体系结构允许在系统运行时动态地加载和卸载内核模块。
特点：
可扩展性：可以轻松添加或删除功能，而无需重新编译内核。
可定制性：可以根据需要定制内核，减少资源占用。
稳定性：模块化可以减少内核的大小，从而可能提高稳定性。
5.外核（Exokernel）
定义：外核体系结构将硬件资源的管理与操作系统的其他服务分开，为应用程序提供直接控制硬件的能力。
特点：
性能：应用程序可以直接访问硬件资源，可以优化性能。
灵活性：允许应用程序根据需要定制资源管理策略。
复杂性：增加了应用程序开发的复杂性，因为它们需要直接处理硬件资源。
每种体系结构都有其优势和劣势，它们的设计选择通常取决于操作系统的目标应用场景，如桌面、服务器、嵌入式系统等。例如，Linux采用了大内核体系结构，而Minix和QNX则采用了微内核体系结构。
6. 内核
时钟管理：实现计时功能
中断处理：负责实现中断机制
原语：
是一种特殊的程序
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分。
这种程序的运行具有原子性--其运行只能一气呵成，不可中断。
运行事件较短，调用频繁。
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
这些管理工作更多的是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件。
1.7 操作系统引导boot
操作系统的引导（Bootstrapping）是指计算机启动时，操作系统内核加载到内存并开始执行的过程。这个过程涉及到计算机硬件和软件的多个组件，以下是其基本步骤和相关数据：
1. 引导过程基本步骤：
加电自检（POST）：
当计算机加电时，首先进行的是加电自检（Power-On Self-Test），由主板上的BIOS（基本输入输出系统）执行。
POST检查计算机硬件是否正常，如内存、硬盘、显卡等。
BIOS初始化：
BIOS会初始化硬件设备，并按照CMOS设置中的顺序搜索可引导设备。
引导设备：
BIOS找到可引导设备后，会从该设备的引导扇区读取引导记录（MBR或EBR）。
引导记录（MBR/EBR）：
主引导记录（Master Boot Record，MBR）位于硬盘的第一个扇区，包含引导程序和分区表。
扩展引导记录（Extended Boot Record，EBR）用于扩展分区的引导。
引导加载器：
MBR中的引导程序通常是引导加载器（如GRUB、LILO等）的一部分，它会加载操作系统的内核到内存中。
操作系统内核：
内核加载后，开始接管计算机的引导过程，完成硬件的初始化，并启动操作系统。
2. 磁盘相关数据：
主引导记录（MBR）：
位于硬盘的第一个扇区，包含引导代码和磁盘分区表。
分区表：
记录了磁盘上分区的位置和大小信息。
引导扇区：
每个分区的第一个扇区也称为引导扇区，对于可引导分区，它包含引导加载器代码。
文件系统：
磁盘上的文件系统提供了数据存储和组织的方法，操作系统通过文件系统来读写数据
3. 引导过程详细描述：
开机：
用户打开计算机电源。
POST：
计算机执行POST检查硬件。
BIOS执行：
BIOS执行，初始化硬件，并按照CMOS设置中的引导顺序查找引导设备。
读取MBR：
BIOS从引导设备的第一个扇区（MBR）读取引导记录。
执行引导加载器：
MBR中的引导加载器代码被执行，它负责加载操作系统的内核。
加载内核：
引导加载器将操作系统的内核加载到内存。
内核初始化：
内核开始执行，初始化硬件和设备驱动程序。
启动操作系统：
内核完成初始化后，操作系统完全接管计算机，启动完成。
1.8 虚拟机
定义：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多肽虚拟机器（Virtual Machine, VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统。
同义术语：虚拟机管理程序，虚拟机监控程序。
第一类虚拟机
对于物理资源的控制权：直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源。
资源分配方式：在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上行分配存储空间，类似于“外核”的分配方式，分配未经抽象的物理硬件。
性能：性能更好
可支持的虚拟机数量：更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机
虚拟机的可迁移性：更差
运行模式：第一类VMM运行在最高特权级（Ring 0），可以执行最高特权的指令。
第二类虚拟机
对于物理资源的控制权：运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配物理资源
资源分配方式：GuestOS拥有自己的虚拟硬盘，该硬盘实际上时Host OS文件系统中的一个大文件。GuestOS分配到的内存时虚拟内存。
性能：性能更差，需要HostOS作为“中介”
可支持的虚拟机数量：更少，Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源。
虚拟机的可迁移性：更好，只需要导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台HostOS上，商业化应用更广泛。
运行模式：第二类VMM部分运行在用户态，部分运行在内核态。GuestOS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对HostOS的系统调用。
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