计算机操作系统笔记总结：Part1 计算机系统概述

写在前面

 hello，大家好，我是黄小黄。今天开始将进行计算机操作系统的学习啦，文章内容主要参考王道考研408的书籍与课程，与操作系统相关的笔记都会记录在计算机操作系统的专栏中，欢迎点击订阅专栏：点击订阅

话不多说，正文开始！

---

---

1 操作系统的概念与功能

我们先来看一下电脑是如何诞生的吧：

1. 厂商会把CPU、内存等硬件组装成一台裸机；
2. 而在裸机出售前，一般厂商都会安装一个操作系统；
3. 我们购买电脑后，可以在操作系统上安装应用程序（软件）；
4. 作为用户的我们，可以使用这些应用程序。

于是我们得到计算机系统的层次结构如下：

王道书上给出的操作系统的定义如下：

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，它是计算机最基本的系统软件。

说明：

1. 操作系统作为软件和硬件中的一个层次，是系统资源的管理者；
   

2. 操作系统需要向上层（应用程序和用户）提供方便易用的服务；

3. 操作系统是最接近硬件的一种的软件。

操作系统的功能和目标–作为系统资源的管理者
有如下功能：

1. 处理机管理
2. 存储器管理
3. 文件管理
4. 设备管理

操作系统的功能和目标–向上层提供方便易用的服务
操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能够更加方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只要对操作系统发出命令即可。具体见下图：

操作系统使用举例：
直接给用户使用的

• GUI：很多操作系统提供了图形化用户接口，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不需要记忆复杂的命令；
• 联机命令接口：又叫交互式命令接口，用户需要在命令行与计算机系统进行交互，用户说一句，系统跟着做一句，比如win系统我们常常使用的cmd；
• 脱机命令接口：又叫批处理命令接口，如win系统的搜索功能，搜索某个盘的某个文件。用户说一堆，系统跟着做一堆。

给软件/程序员使用的

• 程序接口：用户通过程序间接使用，或者通过代码，例如"hello,world"程序中调用的printf函数，底层就是调用了系统提供的服务，使得字符在显示屏上打印。

操作系统的功能和目标–作为最接近硬件的层次
需要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、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。

操作系统对硬件的扩展主要体现在：将CPU、内存、磁盘、显示器等硬件合理组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

---

2 操作系统的特征

并发： 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，但是在微观上是交替发生的。
并行： 指两个或多个事件同一时刻同时发生。（易混淆）

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， 多个程序可以 并行 地执行。

共享： 即资源共享，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。

而共享有两种资源共享方式：

1. 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，例如：使用QQ和微信视频，同一时间段只能将摄像头分配给其中一个进程；
2. 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，例如：同时使用QQ和微信发送文件，宏观上，两边都是在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，微观上看，两个进程交替着访问硬盘。

为什么说并发性与共享性互为存在条件？该如何理解？
答：以QQ微信同时发送文件为例，两个进程正在并发执行，需要共享地访问硬盘资源。如果失去了并发性，则系统只有一个程序正在运行，那么共享性就失去了存在的意义。如果失去共享性，则QQ微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，无法实现并发。

虚拟： 指把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑对应物是用户感受到的。

如何理解呢？ 我们知道，一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。而一个GTA5游戏需要4G运行内存，QQ需要256MB的内存，微信也要256MB内存，而假设电脑只有4GB内存，而这些程序运行需要的内存远远大于4GB，为什么可以同时运行呢？
答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB内存，但是在用户看来似乎远远大于4GB。

异步： 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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性！

---

3 操作系统的发展与分类

手工操作阶段
手工操作阶段计算过程如下图，可见有明显缺点： 用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率基地！！！

批处理阶段：单/多道批处理系统
单道批处理： 引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出。缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有一定提升。 但是依然存在明显缺点： 内存中仅能有一道程序运行， 只有该程序运行结束后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在等待I/O完成，资源利用率仍然低。

为了解决上述问题，采用了多道批处理系统： 每次往内存中读入多道程序，多道程序可以并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升， CPU和其他资源能保持忙碌状态，系统吞吐量增大。

但是无论是单道还是多道批处理，都没有实现人机交互，用户是无法调试程序的， 为了解决该问题，就有了分时操作系统。

分时操作系统
计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务， 各个用户可以通过终端与计算机进行交互。

主要优点： 用户的请求可以被及时响应，解决了人机交互的问题。 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。 不区分任务的紧急性。于是就有了实时操作系统。

实时操作系统
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。

主要优点： 能够优先响应紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

网络操作系统
是伴随着计算机网络发展诞生的，能把网络中各个计算机有机结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。

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、协同完成任务。

个人计算机操作系统：
如Window XP、MacOS等，方便个人使用。

---

4 操作系统的运行机制

4.1 特权指令与非特权指令

这里需要与cmd等命令行的指令进行区分。这里的指令指的是CPU能够看得懂的机器指令（一串二进制序列）

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

对于应用程序，只能使用“非特权指令”，例如加法指令，减法指令等。
而对于内核程序，操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，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。

4.2 内核态与用户态

CPU能判断出指令类型，但是，它是如何区分正在运行的程序是内核程序还是应用程序的呢？

其实，CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”。
当CPU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。
当CPU处于应用态时，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中有一个寄存器叫做 程序状态字寄存器（PSW）， 其中有个二进制位，1表示内核态，0表示应用态。

用户态和内核态是如何进行转化的？
内核态->用户态： 执行一条特权指令–修改PSW标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统主动让出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。

---

5 中断和异常

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，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。
而 “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，就没有并发的一席之地了。

中断的类型

1. 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部；
2. 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。

内中断的实例： 试图在用户态下执行特权指令、执行除法指令时发现除数为0。即：若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。
当然，有时候应用程序想要请求操作系统内核的服务，此时就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。

外中断的实例： 时钟中断–由时钟部件发来的中断信号。每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号。

内中断也称异常
分为如下三种：

1. 陷阱、陷入（trap）： 由陷入指令引发，是应用程序故意引发的；
2. 故障（fault）： 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的使用权交还给应用程序，让它继续执行下去，如缺页故障；
3. 终止（abort）： 由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如整数除以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。具体硬件上的实现，将在计算机组成原理中探讨。

---

6 系统调用

6.1 什么是系统调用

“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？
答：系统调用应该是比高级语言的库函数更为底层的接口。不过，并不是所有库函数都涉及到系统调用，比如：取绝对值的函数… …
系统调用与库函数的区别见下图：

6.2 为什么系统调用是必须的？

例子见下图：

那么什么功能需要用到系统调用呢？ 王道书给出了如下分类：

• 设备管理： 完成设备的 请求/释放/启动 等功能
• 文件管理： 完成文件的 读/写/创建/删除 等功能
• 进程控制： 完成进程的 创建/撤销/阻塞/唤醒 等功能
• 进程通信： 完成进程之间的 消息传递/信号传递 等功能
• 内存管理： 完成内存的 分配/回收 等功能

系统调用相关功能涉及系统资源管理，进程管理等操作，需要特权指令，所以系统调用处理需要由操作系统欸和程序负责完成运行在核心态。用户程序可以执行trap命令发起系统调用，请求OS服务，相当于把CPU使用权交给OS内核程序。用户程序不能直接执行对系统影响很大的操作，必须通过系统调用的方式请求OS执行，以便保证系统稳定性和安全性，防止用户程序随意更改/访问重要的系统资源，影响其他进程执行。

6.3 系统调用的过程

传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态）->执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）->返回应用程序。

OS运行环境理解为：用户通过OS上层程序，而这个程序依赖OS底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序，也可能是程序运行出现异常情况，被动需要管理程序服务，通过异常处理来进入核心态，管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，此时通过响应的保存的程序现场退出中断处理程序/异常处理程序，返回断点处继续执行。

需要注意以下两点：

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态；
2. 发出系统调用请求是在用户态，而 对系统调用的相应处理是在核心态完成的。

---

7 操作系统的体系结构

操作系统的内核
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。

• 操作系统内核需要运行在内核态；
• 操作系统的非内核功能运行在用户态。

而内核分为大内核和微内核，具体图示如下：

大内核： 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。
优点：高性能；缺点：内核代码量大，结构混乱，难以维护。

微内核： 只把最基本的功能保留在内核。
优点：内核功能少，结构清晰，方便维护；
缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

大内核与微内核的区别？

如果应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理。
如果采用的是大内核的方式，则只需要进行两次变态；
如果采用的是微内核的方式，则需要进行六次变态。

需要注意的是，变态的过程是有成本的，要消耗不少的时间，频繁地变态会降低系统性能。

变态是为了方便描述，实际表述的时候：CPU状态的转换

分层结构
内核分为多层，每层可单向调用更低一层提供的接口。注意，只能调用相邻的，不可以跨层。
这种分级的思想，便于调试和验证，每层都相对独立，可以逐层调试，更加方便。另外，层与层之间的调用接口固定不变，我们可以在层与层之间新加一层，只需要保证原来定义的接口不变。
但是，难以定义边界。比如，进程有时候需要使用到内存管理相关的功能，而内存管理有时候也需要使用进程相关的资源。这种分层的模式，导致有一些不灵活。

模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法。

模块化即将内核划分为多个模块，各个模块之间相互协作。
内核 = 主模块 + 可加载内核模块
主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理等。
可加载内核模块：可以动态的加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核。
优点： 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发。支持动态加载新的内核模块，比如安装驱动程序等，增加了OS的适应性。任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高。
缺点： 模块间的接口定义未必合理实用；模块间相互依赖，更难调试和验证。

外核
内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全。
外核可以直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源，减少了硬件资源的“映射层”，提升了效率。

计算机操作系统–体系结构小结

---

8 操作系统的引导

什么是操作系统的引导？
简单来说，开机的时候，怎么让操作系统运行起来，就是操作系统的引导。
解答这个问题前，我们需要知道，磁盘中存储了什么内容。

在一块磁盘安装完操作系统后，其分布如下图所示：

除了我们能看到的磁盘分区以外，还包含了个主引导记录（MBR），包含了磁盘引导程序和分区表。

C盘： 是这个磁盘的活动分区，安装了操作系统。

操作系统要启动的话，操作系统的数据需要被放到主存中。这里需要补充一个知识点：计算机的主存由RAM和ROM两部分组成。而RAM芯片里的数据，只要关机，就会被清空。而ROM里的数据不会因为断点而消失。

而CPU开机通电后，则会找到引导程序，执行该程序里的指令。指示CPU去把磁盘的主引导记录读入到内存。

重点来啦！主引导记录中有磁盘引导程序和分区表。磁盘引导程序会根据分区表去判断C盘所处的位置，读入C盘的PBR引导程序。PBR引导记录里的程序 ，会找到启动管理程序，通常存储在根目录的某个位置。

操作系统引导的过程：

1. CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）；
2. 将磁盘的第一块–主引导记录 读入内存，执行硬盘引导程序，扫描分区表；
3. 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序；
4. 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即 启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作。

---

9 虚拟机

传统计算机
一台物理机器上只能运行一个操作系统，带来了很多应用上的限制。

虚拟机
使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化多台机器（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/Virtual Machine Monitor/Hypervisor

• 第一类VMM：直接运行在硬件上；
• 第二类VMM：运行在宿主操作系统上。

两类虚拟机管理程序（VMM）的对比