1. 操作系统概述#

1.1 操作系统的基本概念#

操作系统的概念

• 操作系统是控制和管理计算机系统软/硬件资源、合理调度任务与分配资源，并为用户及其他软件提供统一接口与运行环境的最基本的系统软件。

操作系统的功能和目标

1. 操作系统作为计算机系统资源的管理者。
2. 提供接口（向上层提供方便易用的服务）：
   • 直接给用户使用的（用户可以直接使用）：
     • GUI界面
     • 命令接口：
       • 联机命令接口：说一句做一句
       • 脱机命令接口：说一堆做一堆
   • 给软件或者程序员使用的：程序接口（系统调用）：函数库本身不是操作系统接口，只是对系统调用的封装。
3. 对计算机资源的扩充：裸机通过操作系统成为扩充机器/虚拟机。

操作系统的特征

1. 并发：多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上同时发生，微观上交替发生。
   • 并行：多个事件同一时刻同时发生。
   • 单核CPU同一时刻仅运行一个程序，多程序并发。
   • 多核CPU同一时刻同时执行多个程序，多程序可并行。
   • 若运行程序多于核数，则并发性必然必不可少，所以并发性是操作系统一个最基本的特性。
2. 共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用。
   • 互斥共享：一时段只允许一进程访问，例如摄像头。
   • 同时访问：一时段内多进程同时访问，例如硬盘、扬声器，但是往往宏观上同时，微观上交替。
   • 并发和共享是操作系统两个最基本的特征，二者互为前提。
3. 虚拟：利用时分复用和空分复用，将物理实体映射为多个逻辑上的对应物。
4. 异步：多道程序环境下允许多个程序并发执行。但由于资源有限，进程的执行并非连续，而是以不可预知的速度向前推进。

1.2 操作系统的发展历程#

手工操作阶段：未配置操作系统

1. 人工操作方式：用户独占，全机资源利用率极低，CPU长时间空闲，计算能力未能充分发挥。
2. 脱机IO方式：装带卸带在外围机完成，减少CPU空闲时间，CPU可直接从高速磁带读取或写入数据，提升IO效率。

批处理阶段

1. 单道批处理系统：自动性、顺序性、单道性。
2. 多道批处理系统：
   • 多道性，宏观并行，微观串行，多道程序共享CPU、内存、IO设备等资源，系统吞吐量大，各部件保持高负载状态。
   • 利用中断技术提高了IO设备利用率。
   • 缺乏交互能力，用户无法了解程序运行状态或进行干预，响应时间长。

分时操作系统

• 处理器时间划分为很短的时间片，轮流给各用户程序使用，以人机交互为核心目的。
• 特点：
  1. 同时性：允许多个终端用户同时使用同一计算机。
  2. 交互性：用户通过终端以人机对话的方式直接控制程序运行，并与程序进行交互。
  3. 独立性：各用户的操作相互独立，任意用户均感觉系统为其独占。
  4. 及时性：用户请求能在较短时间内获得响应，满足交互需求。

实时操作系统

• 严格时间限制内完成关键任务，确定性高、可靠性强、时效性。
• 分类：
  1. 硬实时操作系统：必须在规定截止时间前完成，例如飞机控制系统、导弹制导系统。
  2. 软实时操作系统：允许偶尔错过截止时间，例如订票系统、管理系统。

网络操作系统和分布式系统

• 网络操作系统：支持资源共享与通信功能，数据传输。
• 分布式系统：
  • 由多台计算机组成的集合，具有良好的可扩展性和容错能力，支持动态重组。它将一个任务分解为多个子任务，并行执行，协同完成。
  • 主要特点包括：
    1. 分布性
    2. 并行性
    3. 透明性

微机操作系统

• 单用户单任务操作系统：仅允许一个用户登录并运行一个程序，例如早期的MS-DOS。
• 单用户多任务操作系统：支持一个用户同时运行多个程序，系统通过时间片轮转实现任务切换，例如现代Windows系统。
• 多用户多任务操作系统：允许多个用户通过终端或网络同时登录，例如Linux服务器版本。

1.3 操作系统的运行环境#

操作系统内核

• 支撑功能包括时钟管理、中断机制以及原语。
• 系统资源管理功能包括进程管理、存储器管理、设备管理。

处理机的双重工作模式

• 用户态（目态）
• 内核态（管态/系统态）
• 通过一个模式位标识当前的运行模式，例如：0表示内核态，1表示用户态。
• 系统加载用户程序后，CPU从内核态切换到用户态；而用户态通过中断或陷阱进入内核态。
• 特权指令仅能在内核态执行，可访问全部地址空间，执行关键操作，如：
  1. 启动外设
  2. 设置系统时钟
  3. 关闭中断
  4. 修改模式
  5. 返回用户态
• 非特权指令通常在用户态下执行，用于一般计算和数据处理，无法直接操作硬件或系统核心资源。
• 若用户态程序试图执行特权指令，则硬件将产生非法指令异常。操作系统捕获异常后，会终止程序并重新调度。

中断和异常

• 用户程序进入内核态唯一的合法途径就是中断或异常。当CPU运行用户程序时，一旦发生中断或异常，硬件会自动将处理器切换至内核态，并跳转至内核对应的处理程序。这一过程由硬件强制保障，确保了切换的安全性与原子性。
• 中断（也称外中断）：是指来自CPU执行指令外部的事件，通常用于信息输入输出，例如设备发出的IO结束中断、时间中断，表示一个时间片已到，用于系统计时、进程调度和启动定时任务。
• 异常（也称内中断）：是指来自CPU执行指令内部的事件，例如非法操作、地址越界、运算溢出、系统的缺页以及专门的陷入指令等引起的事件。异常一旦发生，就必须立即处理，不可被屏蔽。
• 异常包括故障、自陷、终止。
• 外中断包括可屏蔽中断和不可屏蔽中断。
• 其中故障和自陷为软件中断，终止、可屏蔽中断、不可屏蔽中断为硬件中断。

中断和异常的处理过程

• 当CPU在执行用户程序第I条指令时，若该指令引发异常，或在指令结束后检测到中断请求信号，则CPU会打断当前程序，转入相应的中断或异常处理程序执行。
• 若问题可在处理程序中解决：
  1. 对于故障：通常在处理完成后，返回第I条指令重新执行。
  2. 对于自陷：在处理完成后，返回第I+1条指令继续执行。
  3. 对于终止： 比如硬件发生了不可恢复的致命错误。此时程序直接被操作系统终止，不返回。
  4. 对于中断：在处理完成后，返回第I+1条指令继续执行。
• 若处理程序被判定为不可恢复的致命错误，则终止该用户程序。
• 通常情况下，中断和异常的具体处理由操作系统完成。

中断与子程序调用的区别

• 中断程序与待中断程序相互独立，无固定关联，而子程序与主程序属于同一程序的主从关系。
• 中断的产生通常是随机的，而子程序调用由CALL指令显式触发，是程序员事先安排的。
• 子程序调用完全由软件实现，而中断处理需要硬件电路支持才能完成。
• 中断处理程序的入口地址由中断向量表直接提供，子程序的入口则由call指令中的地址码确定。
• 调用中断处理程序和子程序均需保护程序计数器（PC）的内容：
  • 调用中断处理程序：由硬件在中断响应过程中自动保存。
  • 子程序调用：由call指令在执行时将当前PC压入栈中。
• 响应中断时，需对同时到达的多个中断请求进行优先级裁决，子程序不用。

系统调用

• 系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，是一种特殊的子程序调用。
• 系统调用按功能大致可分为：设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理。
• 系统调用必须由操作系统内核程序在内核态下完成，系统调用的核心目的是让应用程序能够安全地访问内核功能，与普通过程调用存在显著差异：
  • 运行状态不同：普通过程调用的调用者与被调用者运行在同一特权级；而系统调用的调用者运行在用户态，被调用者运行在内核态。
  • 状态转换不同：普通过程调用无需特权级转换，可直接跳转。系统调用需要通过软中断指令触发，先从用户态切换到内核态，再由内核态分配至相应的处理程序。系统调用执行完毕后，内核可能根据调度策略决定是否切换进程；而普通过程调用直接返回原调用点。
  • 嵌套调用限制不同：系统调用的嵌套深度受到内核栈空间的限制；而普通过程调用的嵌套深度通常仅受用户栈大小的约束。
• 系统调用的处理过程可分为四个阶段：
  1. 传递系统调用参数；
  2. 执行陷入指令并切换至内核态；
  3. 定位并执行相应服务程序；
  4. 恢复现场并返还用户态。
• 常见的用户态转向内核态的情形包括：
  1. 用户程序请求操作系统服务（系统调用）。
  2. 发生中断，如IO完成、时钟信号。
  3. 用户程序执行过程中发生异常，如除零、缺页。
  4. 用户程序试图执行特权指令，从而触发异常。
• 从内核态返回用户态，由内核通过特定返回指令完成该操作，在内核态执行。

1.4 操作系统结构#

分层法

• 各层仅可调用其紧邻下层所提供的服务。
• 优点：
  1. 便于调试与验证。
  2. 易于扩充与维护。
• 缺点：
  1. 层次划分困难。
  2. 运行效率较低（执行一个高层功能需穿过多个中间层）。

模块化

• 模块不可过大，否则模块内部结构复杂，难以维护。
• 模块不可过小，否则模块交互频繁，增加系统整体复杂度。
• 优点：
  1. 提高了操作系统设计的正确性、可理解性与维护性。
  2. 增强了操作系统的适应性，便于功能的扩展。
  3. 支持并行开发，加速研发过程。
• 缺点：
  1. 模块间接口规定很难满足对接口的实际需求。
  2. 无法相互验证。
  3. 无法找到可靠的决定顺序。
• 模块独立性的衡量标准有两个：
  • 一是内聚性：模块内各组成部分间的紧密程度。内聚性越高，模块独立性越好。
  • 二是耦合性：模块间相互依赖与影响的程度，耦合性越低，独立性越好。

宏内核

• 宏内核是将系统的主要功能模块集成在一个紧密耦合的整体中，运行在内核态中。

微内核

• 微内核将操作系统中最基础的功能保留在内核中，将其他非核心功能转移至用户态运行，以降低内核复杂度。
• 将移出的服务组织为若干独立的服务程序，运行于用户态，通过消息传递机制完成与用户进程的交互。
• 微内核将操作系统划分为两大部分：
  1. 内核：仅实现操作系统最核心机制，包括与硬件紧密相关的部分、基本的资源管理机制、客户与服务器间的通信支持。
  2. 多个服务器。
• 微内核的优点：
  • 可靠性与安全性
  • 扩展性与灵活性
  • 可移植性
  • 分布式计算
• 缺点是性能问题，每次服务请求需多次穿越内核态与用户态，导致系统调用延迟增加。

外核

• 将物理资源直接暴露给用户及系统自身，并负责资源的安全分配与隔离。
• 优点：
  • 减少抽象开销，提升灵活性与性能。
  • 清晰分离保护与实现，外核仅负责资源保护，功能实现完全置于用户空间。
  • 体系结构简洁，易于验证。

1.5 操作系统引导#

过程如下：

1. CPU激活与BIOS初始化。
2. 硬件自检与启动设备选择。
3. 加载主引导记录。
4. 定位活动分区并加载分区引导记录。
5. 加载启动器管理器。
6. 加载操作系统内核。
7. 内核初始化与用户环境启动。

1.6 虚拟机#

• 通过虚拟化技术，将一台物理计算机抽象为多台独立计算环境。核心是隐藏底层物理硬件的细节，向上层提供统一且隔离的执行平台。
• 第一代虚拟机管理程序：
  • 直接运行在物理硬件上，是操作系统中唯一处于最高权级的软件，类似于一个轻量级的操作系统，管理硬件资源与并发调度多个虚拟机，客户操作系统运行在虚拟内核态。
• 第二类虚拟机管理程序：
  • 运行在宿主操作系统上，本质是一个用户态进程，例如VMware Workstation。