操作系统

逆水行舟 不进则退

计算机系统概述

408 要求

（一）操作系统的基本概念

（二）操作系统的发展历程

（三）程序运行环境

​ 1．CPU 运行模式（内核模式、用户模式）

​ 2． 中断和异常的处理

​ 3 系统调用

​ 4 程序的链接与装入

​ 5 程 序运行时内存映像与地址空间

（四）操作系统结构（分层，模块化，宏内核，微内核，外核）

（五）操作系统引导

（六）虚拟机

操作系统的概念

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; 它是计算机系统中最基本的 系统软件。

1. 操作系统是系统的管理者
2. 向上层提供方便易用的服务
3. 是最接近硬件的一层软件

操作系统提供的功能

• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

操作系统向上层提供方便易用的服务

直接给用户的

1.命令接口：

• 联机命令接口：交互式命令接口
• 脱机命令接口：批处理命令接口

GUI

直接给软件/程序员使用的

程序接口: 程序接口由一组系统调用组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，如使用外部设备、申请分配和回收内存及其其他各种要求

操作系统对硬件机器的拓展: 将 CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能

操作系统的四个特征

并发 共享 虚拟 异步

并发

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。常考易混概念――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”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。
操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

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。

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

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

如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
如果失去共享性，则 QQ 和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

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，而逻辑上对应物（后者)是用户感受到的。

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。

操作系统的发展与分类

手工操作阶段

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

单道批处理

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/o 完成。资源利用率依然很低。

多道批处理

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，系统吞吐量增大。

主要缺点: 用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg: 无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)

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

硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理

软实时系统

能接收偶尔违法时间规定

操作系统的运行环境

（三）程序运行环境

​ 1．CPU 运行模式（内核模式、用户模式）

​ 2． 中断和异常的处理

​ 3 系统调用

​ 4 程序的链接与装入

​ 5 程 序运行时内存映像与地址空间

CPU 的运行模式

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

中断和异常处理

中断的作用

中断是让操作系统内核重新夺回 CPU 使用权的途径

陷入指令（访管指令）

在用户状态下，主动把 CPU 的控制权还给内核

中断的分类

中断（Interruption）也称外中断，是指来自 CPU 执行指令外部的事件，通常用于信息输入/输出（见第 5 章），如设备发出的 I/O 结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成。时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。

异常（Exception）也称内中断，是指来自 CPU 执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。异常不能被屏蔽，一旦出现，就应立即处理

内中断(异常)：与当前执行的指令有关，中断信号的来自 CPU 内部

外中断(中断)：与当前执行的指令无关，中断信号来自 CPU 外部

陷阱：由陷入指令引发, 是应用程序故意引发的(如：非法操作码，除数为 0，运算溢出)

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 使用权还给应用程序, 让它继续执行下去。（如: 缺页故障，条件陷入指令，系统调用指令）
终止: 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：非法使用特权指令，控制器出错，存储器校验错）

中断机制基本原理

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。

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

系统调用和库函数的区别

普通应用程序：可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用, 有的不涉及

编程语言：向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。

操作系统：向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务

系统调用的分类

为什么要用到系统调用

应用程序通过 系统调用 请求操作系统的服务。而系统中的各种共享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

操作系统的体系结构

（四）操作系统结构（分层，模块化，宏内核，微内核，外核）

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

时钟管理：利用时钟中断实现计时功能

中断处理：负责实现中断机制

原语：是一种特殊程序，处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性（其运行只能一气呵成，不可中断），运行时间较短，调用频繁

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

对系统资源进行管理的功能

进程管理

存储器管理

设备管理

大内核与微内核

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：内核代码庞大，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

操作系统结构考点

操作系统引导

（五）操作系统引导

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——主引导记录读入丙存，执行磁盘引导程序，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

虚拟机

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

进程与线程

（一）进程与线程

1． 进程与线程的基本概念

2． 进程 ／ 线程的状态与转换

3． 线程的实现（内核支持的线程，线程库支持的线程）

4． 进程与线程的组织与控制

5． 进程间通信（共享内存，消息传递，管道，信号）

（2025 新增）

（二）CPU 调度与上下文切换

1． 调度的基本概念

2． 调度的目标

3． 调度的实现

调度器 ／ 调度程序（scheduler），调度的时机与调度方式（抢占式 ／ 非抢占式），闲逛进程，内核级线程与用户级线程调度

4．CPU 调度算法（2025 新增）

5． 多处理机调度（2025 新增）

6． 上下文及其切换机制

（三）同步与互斥

1． 同步于互斥的基本概念

2 基本的实现方法 （软件方法；硬件方法）。

3 锁

4． 信号量

5 条件变量

6． 经典同步问题（生产者-消费者问题；读者-写者问题；哲学家进餐问题。）

（四）死锁

1． 死锁的基本概念

2． 死锁预防

3． 死锁避免

4 死锁检测和解除

进程与线程

进程的概念、组成、特征

概念

程序:是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。

进程（Process) :是动态的，是程序的一次执行过程

一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成。进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的。

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

组成

进程控制块—PCB

PCB是进程存在的唯一标志,当进程被创建时,操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB。

PCB是给操作系统用的

程序段

程序段就是能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段

数据段

一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或者最终结果

特征

进程是由多道程序的并发执行而引出的，它和程序是两个截然不同的概念。程序是静态的，进程是动态的，进程的基本特征是对比单个程序的顺序执行提出的。

1. 动态性。进程是程序的一次执行，它有着创建、活动、暂停、终止等过程，具有一定的生命周期，是动态地产生、变化和消亡的。动态性是进程最基本的特征。
2. 并发性。指多个进程同存于内存中，能在一段时间内同时运行。引入进程的目的就是使进程能和其他进程并发执行。并发性是进程的重要特征，也是操作系统的重要特征。
3. 独立性。指进程是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。凡未建立PCB的程序，都不能作为一个独立的单位参与运行。
4. 异步性。由于进程的相互制约，使得进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。异步性会导致执行结果的不可再现性，为此在操作系统中必须配置相应的进程同步机制。
5. 结构性。每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成

进程的状态

创建态、就绪态、阻塞态、终止态

1. 进程正在被创建时，它的状态是“创建态”，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB
2. 当进程创建完成后，便进入“就绪态”，处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，就暂时不能运行
3. 在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应）。在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入“阻塞态”，当CPU空闲时，又会选择另一个就绪态进程上CPU运行
4. 一个进程可以执行exit系统调用，请求操作系统终止该进程。此时该进程会进入“终止态”，操作系统会让该进程下CPU,并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB。

进程控制

概念

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。