⛵ 操作系统概述
一、操作系统的概念和功能
1. 什么是操作系统
操作系统（Operating System，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石；
操作系统本质上是运行在计算机上的软件程序 ；
操作系统为用户提供一个与系统交互的操作界面 ；
操作系统分内核与外壳（我们可以把外壳理解成围绕着内核的应用程序，而内核就是能操作硬件的程序）。
2. 操作系统的功能和目标
对系统资源的管理向上层提供接口- 给普通用户使用的：GUI图形界面 / 命令接口
- 给软件/程序员用的：程序接口——系统调用
对下层功能的扩展
没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统， 可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能 更强、使用更方便的机器
类比汽车： 发动机——只会转；轮胎——只会滚； 在原始的硬件机器上覆盖一层传动系统——让发动机带着轮子转——使原始的硬件机器得到拓展
操作系统对硬件机器的拓展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件 能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能 普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的，只需直接使用操作系统提供的接口即可
二、操作系统的四个特征
1. 并发（最基本特征）
并发：并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序。这些程序宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。
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。
比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU，意味着可以并行地执行4个程序
即使是对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要“同时”运行，那么并发性依然是必不可少的，因此 并发性 是操作系统一个基本的特性
并行：并行则指同一时刻能运行多个指令，指两个或多个事件在同一时刻同时发生。并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
2. 共享（最基本特征）
共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
两种共享方式
互斥共享互斥共享的资源称为
临界资源，例如打印机等，虽然可以提供给多个进程使用，但在同一时刻只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。同时共享
系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
实例：
- 互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
- 同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件， 说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的
💖 并发和共享互为存在条件
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
通过下述例子来看并发与共享的关系：
使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。
两个进程正在并发执行（并发性）
如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
需要共享地访问硬盘资源（共享性）
如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发 送文件，也就无法并发
同时，
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个基本的特征
3. 虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
用一个例子来理解:
我们都知道 一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行
GTA5需要4GB的运行内存，QQ需要256MB的内存，Chrome需要256MB的内 存，网易云音乐需要256MB的内存……
电脑：4GB内存
处理器：单核CPU
问题1：这些程序同时运行需要的内存远大于4GB，那么为什么它们还可以 在我的电脑上同时运行呢？
答：这是虚拟存储器技术 (空分复用技术)。实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大 于4GB
问题2：既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行，那么为什么单核CPU 的电脑中能同时运行这么多个程序呢？
答：这是虚拟处理器技术（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。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有 6个CPU在同时为自己服务
下面来解释一下上述两种虚拟技术：
时分复用技术多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占用处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。
空分复用技术虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性
4. 异步
异步是指，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。
如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
三、中断和异常
1. 用户态和内核态
根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：
- 用户态(user mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据。
- 系统态(kernel mode):可以简单的理解内核态运行的进程或程序几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制。
2. 中断的作用
CPU上会运行两种程序，一种是 操作系统内核程序 (是整个系统的管理者)，一种是 应用程序
在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序。“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
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。没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发
- 内核态->用户态：执行一条
特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权 - 用户态->内核态：由“
中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
总结：“中断”会使CPU由用户态 变为 内核态 ，使操作系统重新夺回对CPU的控制权
3. 中断的类型
内中断（也称 异常、例外）与当前执行的指令有关， 中断信号来源于CPU内部。如非法操作码、地址越界、算术溢出，除数为0等
有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——
陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号执行“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。 “
系统调用”就是通过陷入指令完成的外中断（也称 中断，狭义的中断）与当前执行的指令无关， 中断信号来源于CPU外部。如 I/O 完成中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。
4. 中断机制的基本原理
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。
四、系统调用
1. 什么是系统调用，有何作用
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
如果一个进程在用户态需要使用内核态的功能，就进行系统调用从而陷入内核，由操作系统代为完成。
2. 系统调用与库函数的区别
有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
- 不涉及系统调用的库函数：如“取绝对值”的函数
- 涉及系统调用的库函数：如“创建一个新文件”的函数
3. 为什么系统调用是必须的
实例：去学校打印店打印论文，你按下了WPS的“打印”选项，打印机开 始工作。 你的论文打印到一半时，另一位同学按下了Word 的“打印”按钮，开始打印他自己的论文。
思考：如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？
两个进程并发运行，打印机设备交替地收到WPS和Word 两个进程发来的打印请 求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…
解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供 “系统调用” ，
用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。
4. 什么功能要用到系统调用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管。
因此凡是 与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提 出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
这些系统调用按功能大致可分为如下几类：
- 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
- 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
- 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
- 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
- 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。
5. 系统调用的过程
传递系统调用参数 ——> 执行陷入指令（用户态），引发一个内中断，使CPU进入内核态 ——> 执行相应的请求，内核程序处理系统调用（内核态）——> 返回应用程序
五、操作系统的体系结构
操作系统的体系结构可以分为 大内核 + 微内核
内核是操作系统最基本、最核心的部分。 实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。
1. 大内核
大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
- 优点：高性能
- 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
2. 微内核
由于操作系统不断复杂，因此将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。
在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。
因为需要频繁地在用户态和内核态之间进行切换，所以会有一定的性能损失。
- 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
- 缺点：需要频繁地在用户态和内核态之间进行切换，性能低