操作系统的概念
# 定义
操作系统（Operation 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。
# 计算机系统的层次架构
# 功能和目标
# 作为系统资源的管理者
# 作为用户和计算机硬件之间的接口
命令接口：允许用户直接使用
- 联机命令接口 = 交互式命令接口（Windows）
- 脱机命令接口 = 批处理命令接口（Windows）
程序接口：允许用户通过程序间接使用
- xxx.dll（程序电泳 = 系统调用 = 系统调用命令 = 广义指令）
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口
# 作为最接近硬件的层次
实现对硬件机器的扩展
没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统可以听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，又称之为虚拟机。
# 特征
重要考点：
理解并发和并行的区别
并发和共享互为存在条件
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最基本的特征
# 并发
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。
常考混淆概念 —— 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存在着多个运行着的程序。
当今的计算机，一般都是多核 CPU，比如 Intel 8 代 i3 就是 4 核 cpu
这意味着同一时刻可以有 4 个程序并行执行但是操作系统的并发性依然必不可少。
当代人使用的计算机绝对有 4 个以上的程序需要同时工作。
# 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，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
- 实例：摄像头
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地对该资源进行访问的（即分时共享）
- 实例：QQ 发文件 A，微信发文件 B。宏观上是同时读取发送，微观上是交替发送。
并发和共享的关系
通过上述例子来看并发和共享的关系：
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）
- 需要共享地访问硬盘资源（共享性）
# 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，在逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
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。
只有系统拥有了并发性才有可能导致异步性。
# 发展与分类
# 手工操作阶段
# 批处理阶段 - 单道批处理系统
# 批处理阶段 - 多道批处理系统
# 分时操作系统
分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用于 / 作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。
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，不区分任务的紧急性。
# 实时操作系统
主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。
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。
# 操作系统的运行机制体系结构
# 两种指令
- 非特权指令
- 特权指令
# 两种处理器状态
- 用户态
- 核心态
# 两种程序
- 内核程序
- 应用程序
# 操作系统的内核
内核是计算机上配置的底层软件，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。
# 中断和异常
# 中断机制的诞生
为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术
# 中断的概念和作用
- 当中断发生时，CPU 立即进入核心态
- 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并且操作系统内核对中断进行处理
- 对于不同的中断信号，会进行不同的处理
发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配 I/O 设备等）需要使用特权指令，因此 CPU 需要从用户态转为核心态。中断可以使 CPU 从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。
问题：用户态、核心态之间的切换是怎么实现的？
答：
- “用户态 -> 核心态” 是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
- “核心态 -> 用户态” 的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为 “用户态”
# 中断的分类
# 外中断的处理过程
# 系统调用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。
