王道操作系统个人向笔记-第一章

操作系统的基本概念

操作系统的概念

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；它是计算机系统种最基本的系统软件

1. 操作系统是系统资源的管理者
2. 向上层提供方便易用的服务

操作系统的功能和目标

1. 作为系统资源的管理者
   • 提供的功能
     1. 处理机管理
     2. 存储器管理
     3. 文件管理
     4. 设备管理
   • 目标：安全、高效
2. 向上层提供方便易用的服务

   • 命令接口

     1. 联机命令接口（交互式命令接口）
     2. 脱机命令接口（批处理命令接口）：

   • 程序接口：可以再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

     批处理命令接口，也被称为批处理接口，是操作系统中的一种接口形式，主要用于批处理系统。它由一组作业控制命令组成，用户可以通过输入一系列的指令，然后由操作系统执行这些指令。在操作系统运行这些命令的过程中，用户通常无法进行干预。
     批处理命令通常以.bat或.cmd为扩展名，它们可以在Windows操作系统中自动执行任务。批处理命令有很多，包括用于在控制台显示文本信息的echo，用于创建或修改环境变量的set，用于在批处理文件中进行条件判断的if，用于循环读取文件或列表中的数据的for，用于跳转到批处理文件中的指定标签的goto，用于调用另一个批处理文件的call，用于创建新的目录的md或mkdir，用于删除文件的del，以及用于复制文件或目录的copy等。
     总的来说，批处理命令接口提供了一种方便、自动化的方式来执行一系列的任务，提高了计算机操作的效率。

     操作系统中的程序接口为程序员提供了与操作系统进行交互的方式，以执行各种系统级别的操作。以下是一些常见的操作系统中的程序接口的例子：
     文件操作接口：这些接口允许程序员对文件系统进行操作，如打开、关闭、读取、写入、删除文件等。例如，在C语言中，可以使用fopen、fclose、fread、fwrite、remove等函数来执行这些操作。
     进程管理接口：这些接口用于创建、终止、管理进程。在Unix或Linux系统中，可以使用fork来创建新的进程，使用exec系列函数来执行新的程序，以及使用kill来发送信号以终止进程。
     内存管理接口：操作系统提供了用于分配和释放内存的接口。例如，在C语言中，可以使用malloc和free函数来动态地分配和释放内存。
     设备驱动接口：这些接口允许程序员与各种硬件设备进行交互，如磁盘、打印机、网络设备等。通常，设备驱动程序会提供特定的API供程序员调用，以实现对设备的控制。
     网络编程接口：操作系统提供了用于网络编程的接口，如套接字（sockets）。这些接口允许程序员创建网络连接、发送和接收数据等。
     系统调用接口：系统调用是操作系统提供给程序员的最底层的接口。它们允许程序员请求操作系统执行底层任务，如进程调度、内存管理、文件操作等。每个操作系统都提供了一套系统调用，这些系统调用通常以库函数的形式提供给程序员使用。

     

3. 实现对计算机资源的扩展
   • 裸机的概念：没有任何软件支持的计算机
   • 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机

操作系统的特征

并发与并行
并发：指两个或多个事件再同一时间间隔内发生。这些时间宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的
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：计算机系统中同时运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着 ，而微观上看是交替运行的。
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：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

互斥共享：qq和微信视频
同时共享：使用qq发送文件A和微信发送文件B

虚拟：把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上的对应物（后者）是用户感受到的。
时分复用技术：单核cpu的计算机中多个程序在运行，看起来有多个cpu在同时为自己服务（虚拟处理器）
空分复用技术：计组虚拟存储技术
异步：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

操作系统的发展历程

手工操作阶段

这个阶段没有操作系统，用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预。

批处理阶段

单道批处理系统

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

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升
主要缺点：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。
特征：

1. 自动性
2. 顺序性
3. 单道性

多道批处理系统

特征

1. 多道：计算机内存中同时存放多道相互独立的程序
2. 宏观上并行
3. 微观上串行

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，各个用户可通过终端与计算机进行交互
特征

1. 同时性
2. 交互性
3. 独立性
4. 及时性

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时间。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性

操作系统运行环境

处理器运行模式

特权指令和非特权指令
特权指令：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。
应用程序只能使用非特权指令，如加法指令、减法指令。
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。

中断和异常

系统调用

什么是系统调用？
系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，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。

高级语言的库函数调用了系统调用

操作系统的体系结构

内核时操作系统最基本、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

分层结构
每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务。

优点：

1. 便于调试和验证（想一下就清楚了）
2. 易于扩充和维护

缺点：

1. 仅调用相邻层，比较难以定义层的边界
2. 效率低

模块化

内核=主模块+可加载内核模块

宏内核和微内核

外核

外核负责给进程分配未经抽象的硬件资源
（普通的内核给进程分配的资源是经过抽象的，如内存分配的是虚拟内存）

操作系统的引导

什么是操作系统的引导？

操作系统的引导是指在计算机启动时，硬件加载并执行操作系统的过程。这个过程通常包括以下几个步骤：
BIOS/UEFI阶段：
计算机开机后，首先执行的是基本输入/输出系统（BIOS）或统一可扩展固件接口（UEFI）。
BIOS/UEFI是存储在计算机主板上的固件程序，负责初始化硬件并启动引导过程。
在这个阶段，BIOS/UEFI会执行POST（电源自检）来检查硬件的状态和配置。
引导设备的选择：
BIOS/UEFI会查找配置中指定的引导设备，通常是硬盘、固态硬盘或者光盘。
它们会按照设备的引导顺序（Boot Order）来查找引导设备。
加载引导程序：
一旦选择了引导设备，BIOS/UEFI会从该设备的引导扇区（通常是主引导记录）中读取引导加载程序。
在传统的MBR分区方案中，主引导记录（MBR）的大小为512字节，其中前446字节存储引导加载程序。
引导加载程序的执行：
引导加载程序（如GRUB、LILO等）负责加载操作系统内核到内存中，并传递控制权给操作系统内核。
引导加载程序还可以提供菜单以选择启动哪个操作系统（如果有多个操作系统安装在计算机上）或者启动参数的选项。
内核初始化：
一旦引导加载程序将内核加载到内存中，操作系统内核开始初始化并接管对计算机的控制。
内核会初始化系统的各种子系统、设备驱动程序以及用户空间的运行环境。
用户空间的启动：
内核初始化完成后，操作系统会启动用户空间的进程，例如初始化系统服务、启动登录管理器（如GDM、LightDM等）等。

磁盘
最开始的磁盘是空空如也
安装完操作系统后的磁盘

操作系统的引导，又称引导加载程序、开机启动程序或启动加载程序，是计算机开机过程中的一个重要环节。它允许计算机重新启动并能够执行用户和系统软件。操作系统引导是操作系统加载进入计算机后的第一步操作，能够检测并检索用户设备所需的所有操作系统文件以及硬件配置。
具体来说，操作系统的引导过程大致如下：
计算机在启动时，BIOS开始运行，检查所安装的RAM数量、键盘和其他基本设备是否已安装并正常响应。然后CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序。
将磁盘的第一块，即主引导记录（MBR）读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表。
从活动分区（又称为主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录（PBR），执行其中的程序。
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。
操作系统引导一般由三部分组成：引导装载程序（也叫软件引导程序），包括识别和维护硬件配置信息、验证输入设备、加载和解析操作系统、版本管理、安全控制和系统配置的程序。
总的来说，操作系统引导是计算机开机过程中不可或缺的一环，它使得计算机能够顺利加载操作系统并为用户提供服务。

虚拟机

使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（Virtual Machine，VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统

虚拟机（Virtual Machine）是通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。在实体计算机中能够完成的工作在虚拟机中都能够实现。创建虚拟机时，需要将实体机的部分硬盘和内存容量作为虚拟机的硬盘和内存容量。每个虚拟机都有独立的CMOS、硬盘和操作系统，可以像使用实体机一样对虚拟机进行操作。

虚拟机管理程序（Virtual Machine Monitor，VMM）是用于管理和维护主机上的虚拟机的软件层。它充当物理硬件和虚拟机之间的接口，确保所有虚拟机从硬件获得所需的处理能力和资源

• 第一类虚拟机管理程序或“裸机”管理程序：它们直接与硬件和物理资源进行交互，创建虚拟机实例。
• 第二类虚拟机管理程序：这类管理程序安装在主硬件中的操作系统上的应用程序中，主要用于端点设备以运行替代操作系统。