一、操作系統(tǒng)做什么族扰？

1.操作系統(tǒng)定義

A program that acts as an intermediary between a user
and the comupter hardware.
計算機(jī)硬件和用戶（人和程序）之間的一個中介

2.操作系統(tǒng)目標(biāo)

• 使用戶方便使用計算機(jī)
• 是計算機(jī)硬件高效率運(yùn)行

二懂更、硬件系統(tǒng)組成

• cpu(s) + 設(shè)備控制器 通過總線（控制（用來通信的碴卧，一些狀態(tài)）攻旦、數(shù)據(jù)和地址三個內(nèi)部總線和外部總線）連接在一起鄙陡，它們共享內(nèi)存

• 這些cpus和設(shè)備并行執(zhí)行冕房，并且競爭使用內(nèi)存。

  
  

三趁矾、4個層次

操作系統(tǒng)把硬件包起來了耙册，所有的對硬件的操作必須經(jīng)過操作系統(tǒng)。

• 用戶
• 應(yīng)用程序
• 操作系統(tǒng)
• 硬件

四愈魏、現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征

1.多程序 Mutiprogramming

這是為了提高CPU的使用效率觅玻。

一個簡單的例子
如果系統(tǒng)上只能有一個用戶想际。一個用戶程序的操作需要CPU執(zhí)行它的指令培漏，還需要I/O來作它的輸入輸出。只有CPU指令胡本，沒有I/O牌柄，這有什么意義hhh，而只有I/O沒有CPU更不可能侧甫，因為I/O就是CPU控制的珊佣。所以有一個很明顯的問題就是CPU執(zhí)行指令時候，I/O就停了披粟，而I/O時候咒锻，CPU又停了不執(zhí)行指令了。
為了解決這種低效問題守屉，一個基本想法就是惑艇，可不可以在系統(tǒng)里面裝兩個程序，當(dāng)一個在I/O時候拇泛，它沒有使用CPU滨巴，能不能啟動另一個程序讓它使用CPU？這樣不就是讓CPU使用率提高了嗎俺叭？

嗯就是這樣恭取，有兩個以上程序可以駐留內(nèi)存，這種狀態(tài)就叫Mutiprogramming

• 單用戶系統(tǒng)有缺陷熄守，無法讓CPU和I/O同時處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
• 多程序思想讓多個程序競爭CPU蜈垮，提高了CPU的使用效率
• 作業(yè)調(diào)度器每次選擇一個作業(yè)耗跛，交給CPU執(zhí)行
• 當(dāng)前作業(yè)需要等待時候（例如有I/O操作），CPU轉(zhuǎn)向另一個作業(yè)

2.多任務(wù) Multitasking 分時系統(tǒng) Timesharing

在多程序思想的基礎(chǔ)上擴(kuò)展窃款，Multiprogramming只要求多個程序駐留在內(nèi)存中课兄，CPU有空時候給程序分配資源就可以，而Multitasking則要求不但是駐留在內(nèi)存晨继，還要求在程序需要CPU時候烟阐，CPU能及時給它！響應(yīng)用戶的交互操作紊扬。稱為交互式計算蜒茄。

一個簡單的例子
如果不具備這樣的及時性，會有什么后果餐屎？一臺計算機(jī)檀葛，能播放PPT還能接收郵件，這算是有多程序思想了腹缩。此時如果你在這里瘋狂讀PPT屿聋，而永遠(yuǎn)不去理睬e-mail，接收e-mail的程序永遠(yuǎn)得不到CPU資源藏鹊，那么e-mail發(fā)過來了不響應(yīng)就丟失了润讥。郵件是什么，郵件給誰的盘寡，這并不重要楚殿，但是必須要先及時的響應(yīng)，把它接收過來竿痰，不然就丟失在茫茫網(wǎng)海中了hhh脆粥。所以讀PPT時候，要讓郵件程序有收郵件的機(jī)會影涉。而反過來一樣变隔，如果在接受一個很大的郵件，需要一定的時間接收蟹倾，PPT此時得不到CPU匣缘，不動了，那還怎么學(xué)習(xí)喊式，會給用戶造成機(jī)器死機(jī)的感覺孵户。

這就是Multiprogramming的重要性。必須要支持這樣的需求岔留！由此引出了操作系統(tǒng)的各種概念夏哭。

• 響應(yīng)時間 Response time 在一秒內(nèi)
• 每個用戶至少有一道作業(yè)在內(nèi)存中執(zhí)行——進(jìn)程
• 存在兩個以上的進(jìn)程等待CPU執(zhí)行——CPU調(diào)度
• 內(nèi)存空間裝不下進(jìn)程——需要換入、換出操作
• 虛擬內(nèi)存管理技術(shù)献联，是的小內(nèi)存也能運(yùn)行大進(jìn)程

3.CPU提供Dual-mode機(jī)制

• 用戶態(tài)（user mode）和內(nèi)核態(tài)（kernel mode）
  這樣是為了OS的自我保護(hù)竖配。從硬件層解決這個問題何址，CPU有個Mode bit模式位，可以在內(nèi)核態(tài)（1）和用戶態(tài)（0）之間切換进胯。
  • 以Mode bit區(qū)分系統(tǒng)在執(zhí)行用戶代碼還是內(nèi)核代碼
  • CPU帶有特權(quán)指令用爪，這些指令只能在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行。特權(quán)指令一般是可能引起損害的機(jī)器指令胁镐。

  • 用戶態(tài)下需要操作系統(tǒng)服務(wù)偎血，那么系統(tǒng)調(diào)用此時就會從用戶態(tài)切換至內(nèi)核態(tài)，系統(tǒng)調(diào)用返回指令自動從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)盯漂。

    
    

4.其他特征

• 中斷驅(qū)動的硬件操作：什么任務(wù)到了颇玷，引發(fā)一個中斷，沒有中斷就休息了就缆。有任務(wù)才去搞帖渠。
• 軟件申請，軟件操作錯誤等竭宰，將產(chǎn)生異晨战迹或陷入
• 面臨
  • “無限循環(huán)”問題
  • 進(jìn)程干擾其它進(jìn)程問題
  • 進(jìn)程干擾OS問題
    ......

五、操作系統(tǒng)的服務(wù)類別

一共有兩類服務(wù)切揭。

1.一類服務(wù)直接幫助用戶

• 用戶界面（UI user interface）
  用戶通過用戶界面向操作系統(tǒng)下達(dá)命令狞甚。

  • 命令行CLI（Command-Line）
    文本命令，用戶直接輸入讓操作系統(tǒng)執(zhí)行的命令伴箩。如shell入愧。
  • 圖形用戶界面GUI（Graphics User Interface）
    提供了視圖鄙漏，有定位設(shè)備指揮I/O嗤谚，從菜單選擇，選中部分并用鍵盤輸入文本等等 怔蚌。這個最常見不過了巩步。
  • 批處理（Batch）
    這是個啥我也沒見過具體例子Hhh,控制命令和命令的指令被輸入文件中，通過執(zhí)行文件來實(shí)現(xiàn)桦踊。

• 程序執(zhí)行
  是OS能夠裝入程序到內(nèi)存椅野，執(zhí)行駐留在內(nèi)存的程序，結(jié)束程序的而執(zhí)行籍胯，以及出錯時候的異常處理竟闪。

• I/O操作

• 文件系統(tǒng)相關(guān)操作

• 進(jìn)程間通信

  • 通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)通信
  • 通過消息傳遞實(shí)現(xiàn)通信

• 出錯檢測
  要能隨時應(yīng)對系統(tǒng)出錯，對各種各樣的來自CPU杖狼、內(nèi)存或I/O設(shè)備等地方的錯誤提供調(diào)試炼蛤、查錯工具。

2.另一類服務(wù)確保系統(tǒng)共享資源的高效運(yùn)作

就是我們在上面舉例中的PPT和e-mail按個實(shí)例

• 資源分配

• 記賬——跟蹤記錄那些用戶使用了多少資源蝶涩，使用了哪些資源

• 保護(hù)和安全

  • 保護(hù)——確保對資源的訪問是受控的
  • 安全——外來訪問需要通過身份認(rèn)證理朋，不允許非法訪問

六絮识、操作系統(tǒng)的服務(wù)功能

進(jìn)程管理
內(nèi)存管理
存儲設(shè)備管理
大容量存儲器管理
I/O子系統(tǒng)管理

七、系統(tǒng)調(diào)用 System Calls

用戶程序和系統(tǒng)軟件與操作系統(tǒng)之間的界面嗽上。提供了操作系統(tǒng)的有效服務(wù)界面次舌。

一個簡單例子

這是進(jìn)行文件復(fù)制時候的一個示例，用到了各種系統(tǒng)調(diào)用兽愤，文件管理的這些操作的實(shí)現(xiàn)都是要通過操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用來幫忙：

1.通常用高級語言C/C++實(shí)現(xiàn)

2.程序通常以API（Application Program Interface）使用彼念，而不是直接使用系統(tǒng)調(diào)用。

3.三種流行的APIs

• Win32 API for Windows
• POSIX API for POSIX-based systems(UNIX\Linux和Mac OS X版本)
• JAVA API for the JVM

4.為什么要用API浅萧，而不是直接系統(tǒng)調(diào)用国拇？

因為太菜了hhhh，開個玩笑惯殊。
普通用戶不懂啊酱吝，普通的用戶要理解系統(tǒng)調(diào)用的概念是有困難的，編程序的人可能不懂這個啊土思，也要讓他去寫程序务热。比如linux系統(tǒng)調(diào)用都是使用int 0x80號中斷來實(shí)現(xiàn)的，普通用戶根本不懂這些中斷什么的己儒。所以O(shè)S提供API崎岂，用戶可以調(diào)用比較容易一點(diǎn)的API來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。而不是把系統(tǒng)調(diào)用扔給你闪湾。

一個簡單示例
下面就是調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)C庫里面的printf冲甘，用戶調(diào)用printf，C程序攔截了這個調(diào)用來調(diào)用必要的操作系統(tǒng)調(diào)用（這里是write()）途样，真正實(shí)現(xiàn)寫字符輸出的是系統(tǒng)調(diào)用的write()江醇，用戶程序只需要調(diào)用C庫中的API就可以了。這個printf則是專業(yè)人士寫的何暇，為了用戶的方便陶夜，他不用去用中斷去實(shí)現(xiàn)打印，而只需要調(diào)用printf裆站，printf幫助它做更底層的東西——引起int 0x80条辟，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，調(diào)用write()宏胯，write()完成任務(wù)之后羽嫡，又跳回到用戶態(tài)，printf的代碼中肩袍，printf再return到用戶程序杭棵。

API和System Call和操作系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)如下所示

八、系統(tǒng)程序 System Programs

系統(tǒng)程序提供了一個方便的環(huán)境以開發(fā)程序和執(zhí)行程序了牛，其中一小部分知識系統(tǒng)調(diào)用的簡單接口颜屠，其他可能是相當(dāng)復(fù)雜的辰妙。

系統(tǒng)程序分類

• 文件操作
• 狀態(tài)信息展示
• 文件內(nèi)容修改
• 編程語言支持
• 程序裝入和執(zhí)行
• 用戶間通信

以用戶考察OS的視角，OS是以系統(tǒng)程序描述的甫窟，而不是系統(tǒng)調(diào)用密浑。

九、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

簡單結(jié)構(gòu)

層次化結(jié)構(gòu)

從低到高：
硬件——硬件設(shè)備控制器——內(nèi)核驅(qū)動程序——內(nèi)核里的管理子系統(tǒng)——內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用——用戶程序

微內(nèi)核 microkernel

基本思想：盡量把內(nèi)核中的所有非基本部分移出到用戶態(tài)空間粗井，將它們實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)程序或用戶程序尔破。剩下的就是微內(nèi)核（通常包含最小的進(jìn)程、內(nèi)存管理以及通信功能）浇衬。處于用戶態(tài)空間的功能模塊通過消息傳遞機(jī)制進(jìn)行通信懒构。

• 有利因素
  • 容易升級微內(nèi)核
  • 容易移植OS到不同類型的CPU、體系結(jié)構(gòu)
  • 更可靠
  • 更安全

• 不利因素
  -被移出之后耘擂，用戶態(tài)空間的程序增多胆剧，它們之間通信都要借助操作系統(tǒng)幫忙，每次通信都要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)醉冤，不停的切換秩霍，那么用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)空間通信頻繁，性能開銷大蚁阳，這是很致命的铃绒！

  
  

模塊 modules

現(xiàn)代操作系統(tǒng)大多實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核模塊機(jī)制。

• 應(yīng)用面向?qū)ο笏枷敕椒?/li>
• 核心組件相對獨(dú)立螺捐、分離
• 模塊之間通過預(yù)知的界面對話
• 可動態(tài)裝入內(nèi)核
• 可動態(tài)卸載