计算机系统概述

操作系统的与功能

操作系统的概念和定义

一台电脑的诞生：

厂家组装一台裸机
出售前安装操作系统
用户安装应用程序
用户使用应用程序

一台电脑的安装过程

定义：操作系统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软件方便的接口和环境；它是计算机中最基本的系统软件。

操作系统是系统资源的管理者：系统资源包含硬件软件资源

例如：打开Windows操作系统的“任务管理器”（快捷键：ctrl+alt+del）

任务管理器

操作系统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

例如：

从进程来看，操作系统可以对软件进行管理

从进程里的CPU可以看到操作系统同时对硬件也在管理

以提供给用户和其他软件方便的接口和环境

意思：操作系统要向上层提供方便易用的服务，比如用户和应用程序

它是计算机中最基本的系统软件。

例如：

操作系统是一个软件，而非硬件，但操作系统是最接近硬件的软件

操作系统的功能与目标

作为系统资源的管理者要做的事情

用QQ和朋友视频聊天的过程

操作系统的管理者

在各个文件夹找到QQ安装的位置（如：D:/qq/Bin)

逐层打开文件夹，找到QQ.exe。这里的文件管理由操作系统完成的，也就是文件管理的功能

qq安装路径

双击打开QQ.exe

执行一个程序前，需要将该程序放到内存中，才能被cpu处理

在这里，操作系统将QQ程序放入到了内存中去处理，也就是存储器管理
QQ程序正常运行

qq程序运行过程中，需要被处理机（CPU）处理

什么时候给qq分配资源就是操作系统的处理机管理
开始和朋友视频聊天

和朋友聊天的时候需要调用摄像头设备，由操作系统决定设备分配给哪些进程，这就是操作系统的设备管理

向上层提供方便易用的服务

电脑结构

计算机的最底层裸机：只能听得懂二进制指令。人们很难理解，硬件对外的接口对于人来说是不友好的交互接口
在硬件之上，安装了操作系统，操作系统相对于人来说是友好的交互接口
安装操作系统后，我只需要告诉操作系统我们需要的功能，操作系统将功能转化。这里有个简单的封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户可以更方便的使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可。

GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）

用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

例如：在Windows操作系统中，删除一个文件只需要拖拽到回收站中，在Linux中就需要 rf -rf 文件名

联机命令接口（Windows系统）

联机命令接口=交互式命令接口交互式：用户说一句，系统跟着做一句

Win+R
输入cmd，按回车，打开命令解释器
尝试使用time命令，可以修改系统时间

脱机命令接口（Windows系统）

联机命令接口=批处理式命令接口批处理式：用户说一堆，系统做一堆

使用搜索功能，搜索c盘的*.bat文件，记事本形式打开任意一个

bat

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。

例如在写c语言程序时，在printf函数的底层就使用到了操作系统提供的显示相关的”系统调用“

系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式

c调用

在有的教材中，系统调用=广义指令

小结

上层服务小结

有的教材中，会把命令接口与程序接口统称用户接口（不包括GUI）

最接近硬件的层次

需要实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机称之为逻辑。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

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机

重点：为什么操作系统可以实现对硬件机器的拓展

例：汽车

发动机——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、键盘等硬件合理的组织起来，让各种硬件可以能够相互协调配合，实现更多复杂的功能

小结

操作系统第一部分小结

操作系统的四个特征

操作系统四个特征

并发

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的

常考易混淆概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

并发 VS 并行

【例】：邶风非常喜欢吃薯条和炸豆腐。任务1：吃薯条。任务2：吃豆腐。

并行：邶风在9点同时吃薯条和豆腐

并发：邶风在9点先吃完薯条，接下来10点再吃豆腐

宏观上看，邶风今天吃了薯条和豆腐，微观上看，邶风是先吃的薯条再吃的豆腐，所以这就是宏观上同时发生，微观上交替发生

操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序看上去是同时运行着，而微观上是交替运行着的

操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此，操作系统与程序并发是一同诞生的

【注】（重要考点）

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，各个程序可以并行地执行

例如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

假如此时我在该cpu中，登录qq，使用word，使用浏览器，使用微信。此时我再想听歌的时候，我们必须剥夺某一个程序对cpu的使用权，然后这两个程序交替使用cpu，

即便是对于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的一个最基本特征

共享

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。

资源共享方式

互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段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的对该资源进行访问的（即分时共享）

生活实例：

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

并发与共享的关系

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

例如：从qq发送文件A，微信发送文件B。

两个进程正在并发执行（并发性）
需要共享的访问硬盘资源（共享性)

如果系统中失去了并发性，那么同一时间段只能有一个程序运行，那么共享性就失去了它存在的意义

如果系统中失去了共享性，那么微信和qq就无法同时访问硬盘资源，也就无法同时发送文件，便无法并发

并发和共享互为存在条件

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）前者是存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

例如：

一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

例1：假设QQ需要256MB的内存，百度云需要256MB的内存，网易云需要256MB的内存，WallPaper需要2GB的内存…

我的电脑 2GB内存

问题：这些程序同时运行需要的内存远大于2GB，那么为什么它们可以在我的电脑上同时运行呢

这就是采用了==虚拟存储器技术（空分复用技术）==第三章重点描述。实际只有2GB内存，但用户看来远远大于2GB

例2：某单核计算机中，用户同时打开了浏览器，程序编译器，qq，网易云音乐

问题：既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行，为什么单核cpu的电脑中可以同时运行这么多个程序呢

这是==虚拟处理器技术（时分复用技术）==。实际上只有一个单核CPU，在用户看来有多个CPU同时为自己服务

虚拟技术中的时分复用技术。在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

显然，如果失去了并发性，则一个系统内只需要运行一道程序，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

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

就比如有二个应用需要使用打印机资源，应用A使用了打印机资源，应用B就不能使用打印机资源，就堵塞了，等到应用A结束，应用B去抢占打印机资源

如果失去了并发性，系统只有串行的运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底，只有拥有并发性，才会可能导致异步性

并发和共享互为存在条件，没有并发和共享，就不能存在虚拟和异步。因此并发与共享是操作系统的两个最基本特征

操作系统的发展与分类

操作系统的发展与分类概览

手工操作阶段

该阶段操作系统还没有诞生，程序员将自己的代码二进制写在纸带机上，纸袋上的孔代表0，非孔代表1。计算机从纸袋机中读取程序，再将运行结果输出到纸袋机中，程序员从纸袋机中取走运行结果

纸袋机

可以看出纸袋机的效率是非常低的，同时等第一个程序员使用完后，第二个程序员才能接着使用

主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

批处理阶段——单道处理系统

该阶段是操作系统的雏形，引入脱机输入/输出技术（用外危机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出

单道处理

程序员把程序放在纸袋机，外围机将纸袋机里的数据放在磁带中，计算机直接从磁带中读取数据，由监督程序控制着磁带输入输出

单道的时间

优点：缓解了一定的人机速度矛盾，资源利用率有所提升

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

批处理阶段——多道处理系统

该阶段操作系统正式诞生。每次往内存中读入多道程序

多道处理的时间

当作业1开始计算时，输入设备空闲，此时让作业2去做输入。

作业1开始输出时，计算设备空闲，此时可以作业2去做计算，作业3去做输入

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（用户提交自己作业后，只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。例如：无法调试程序/无法在程序运行中输入一些参数）

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，各个用户可以通过终端与计算机交互。时间片就是说，计算机给用户A50ms服务，用户B50ms服务，用户C 50ms服务

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户可以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，不区分任务紧急性

实时操作系统

主要优点：能优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

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

实时操作系统

其他操作系统

网络操作系统

是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

操作系统的发展与分类小结

操作系统的运行机制

预备知识：程序是如何运行的

程序如何运行

特权指令与非特权指令

程序执行过程就是CPU一条条执行指令

“指令” 就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

很多人习惯把Linux、Windows、MacOS的小黑框中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。本节的“指令”指二进制机器指令

我们普通程序员写的程序就是"应用程序"

微软、苹果有一些人实现操作系统，他们写的是"内核程序"

很多内核程序组成"操作系统内核“，或简称”内核"

内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分

操作系统对系统资源的管理工作就在内核部分完成

我们甚至可以说，一个操作系统只要内核就够了（例如：docker只要linux内核）

操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI

操作系统内核作为管理者，有时会让CPU执行一些“特权指令”（影响其他程序运行），如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用

应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等

在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型

内核态与用户态

CPU是如何判断出内核程序or应用程序

CPU有两种状态“内核态”和“用户态”

处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令

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

CPU中有一个寄存器叫"程序状态字寄存器（PSW）"，其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”

内核态=核心态=管态用户态=目态

内核态、用户态的切换

刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先在CPU运行
开机完成后，用户可以启动某个应用程序
操作系统内核程序会在合适的时候让出CPU，让该应用程序上CPU运行

操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”
应用程序运行在“用户态”
此时，一位黑客在应用程序植入了一条特权指令，企图破坏系统
CPU发现接下来要执行这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”，CPU知道自己运行的是应用程序，但应用程序居然想要特权指令，胆子太大了，于是直接干掉他
这个非法事件会引发“中断信号”

CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序
操作系统内核再次夺回CPU控制权
操作系统内核程序对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

内核态变为用户态：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主动让出CPU的使用权

用户态变为内核态：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

除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是：但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

操作系统运行机制

中断与异常

中断与异常预览

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，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（第二章进程管理）

中断是操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

如果没有“中断机制”，一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，就不会有并发机制

中断的类型

内中断

与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

CPU在用户态下执行了一条特权指令，这是在执行指令的过程中切换成了内核态
执行除法指令时发现除数为0
一个应用程序想请求操作系统的内核服务，应用程序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。

系统调用便是陷入指令完成的

陷入指令不是特权指令，他是在用户态下执行的指令

执行的指令非法，或者执行指令的参数非法，就会产生一个内中断的信号

外中断

与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

1. 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号，通过该技术可以实现多道程序并发执行

时钟部件每隔一段时间便会发送一个中断信号，接下来CPU就会转为内核态，来处理这个中断信号。假设一开始CPU是由应用程序A运行了50ms，中断信号来了后，CPU会切换为内核态处理时钟中断的内核信号，然后检测应用程序A已经运行了50ms，那么接下来就会切换成用户态，交给应用程序B运行。然后时钟再发送中断信号，CPU切换成内核态…然后检测到应用程序B运行了50ms，再切换成用户态让应用程序A运行

每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有中断信号

中断的分类

大多数教材与试卷中，中断指狭义的中断，一般是指外中断，而内中断一般称之为异常

陷入：由陷入指令应发，是应用程序故意引发的，也是系统调用实现的原理

故障：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU的使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障（第三章）

终止：由致命错误引起，内核程序无法修复，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是一般直接把这个程序直接干掉。如：整数除0，非法使用特权指令

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

中断向量表

中断处理程序一定是内核程序，所以运行在内核态

中断与异常

系统调用

什么是系统调用

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

操作系统提供的接口

“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，可以理解为是一种可以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

系统调用与库函数的区别

系统调用与库函数

写程序的时候可以直接用汇编语言进行系统调用，但现在我们一般是直接使用高级语言的一些库函数

系统调用四层

裸机之上是操作系统，操作系统向上层提供的接口是系统调用，使得上层程序可以访问操作系统内核

高级编程语言会用库函数的方式封装系统调用，向程序员提供更好使用的接口

但不是所有的库函数都会有系统调用

不涉及系统调用的函数：如绝对值函数

涉及系统调用的函数：如创建文件函数

为什么系统调用是必须的

生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了word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wps的打印选项，开始打印自己的论文

wps和word是两个应用程序，是并发地运行

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？

两个进程并发运行，打印机设备交替的收到word和wps发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了

所以我们希望这些并发的进程共享资源实现互斥

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，保证并发运行时不会出现奇怪的事情

系统调用的分类

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

系统调用的过程

一个应用程序在用户态下运行，他的指令被cpu依次执行。
当他想请求系统调用时，他需要用传参数的指令，给CPU的寄存器传入必要的参数(指明系统调用的类型：如"fork"),传入的参数指令可能有多条，主要看系统调用需要几个参数，操作系统通过传入的参数判断需要什么样的服务
参数放到寄存器后，应用程序就会执行陷入指令，引发内中断，CPU就会暂停应用程序，切换为内核态，执行陷入指令处理程序，也就是系统调用入口程序
系统调用入口程序检查寄存器的参数，根据寄存器的参数判断用户需要哪种系统调用的程序，然后调用对应系统调用需要的服务程序（eg：寄存器中检测到了fork指令，就去调用fork系统调用处理程序）
系统调用处理完后，CPU转为用户态，继续处理其他的程序

高级编程语言与系统调用