第一章：计算机系统概述

1.1操作系统的基本概念

1.1.1操作系统的概念

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源、合理地组织、调度计算机的工作与资源分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。

是充当计算机硬件与用户之间的中介-管理裸机，扩充裸机以提供更强大的功能。

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

扩展概念

硬件和软件资源统称为计算机资源，文件不属于硬件资源，属于计算机资源。

操作系统管理软件，是指操作系统关心计算机中的文件的逻辑结构、物理结构、文件内部结构、多文件如何组织的问题，而不是关系文件的具体内容，源程序储存在文件里，但操作系统不关心文件内容，因此源程序不是操作系统应该管理的。

硬件资源：

中央处理器（CPU）、输入设备（键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等）、输出设备（显示器、影像输出系统、磁记录设备、打印机、语音输出系统、绘图仪）、储存器（软盘、硬盘、光盘、U盘等外存；ROM只读存储器、RAM随机存储器等内存，内存主要指RAM）、主板（一般为矩形电路板，安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电插接件等原件）

裸机：指没有配置操作系统和其他软件的电子计算机。

系统软件：操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、服务性程序、标准库程序等。

1.1.2操作系统的特征

（1）并发：指两个或多个时间在同一时间间隔内发生。

操作系统的并发性：指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。

注意并发和并行的区别，在多道程序的环境下，一段时间内宏观上有多道程序在同时执行，而在每个时刻，单处理机的环境限制使得某一时刻只能有一道程序真正被处理、被执行，所以，把视角放到微观上，宏观看上去同时执行的程序其实是分时交替执行。（分时指的是时间片轮转，时间片轮转是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称RR调度。每个进程被分配成一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。进程是程序的实体，不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。）

而并行则不是宏观同时，微观仍是顺序进行的状况，并行是同一时刻能够真正同时完成或两种以上的工作。而一个处理机同一时刻只能进行一项工作，因此，若要实现并行，则必须要有两个及两个以上的处理机，即多处理机（多核）这就是资源重复方面的并行实现办法，除此之外还有CPU分时技术和流水线技术。

（2）共享（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。

共享可分为

互斥资源共享：系统中的某些资源，如打印机、磁带机虽然可供多个进程使用，但为使得所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。该时间段为宏观时间段，在宏观时间上，我们可以看到一个资源只允许一个进程访问。该资源被称为临界资源或独占资源。

常见的临界资源：

        硬件上：打印机，磁带机，输入机

        软件上：消息缓冲队列、变量、数组、缓冲区

同时访问方式：系统中还存在另外一种资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里的同时为宏观上，我们看到多个进程都在使用该资源，但在微观上，这些进程可能是交替着对该资源进行访问，比如采用时间片轮转的方式。从这里我们看到共享和并发的共同之处。

并发和共享是操作系统（包括现代）两个最基本特征，两者之间互为存在的条件：资源共享以程序的并发为条件，若系统不允许程序并发执行，共享就没有多个对象共同使用的条件，只有一者自然谈不了共享。同时，若共享无法被系统有效的管理，则必然会影响程序的并发执行，甚至根本无法执行。

（3）虚拟：是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。即实体对应着某些虚拟的没有物质支撑存在的事物，用户感觉上的事物。

用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。操作系统中存在的虚拟事物，虚拟处理器、虚拟内存、 和虚拟外部设备等。

虚拟处理器技术，采用多道程序并发执行的方法，将处理器分时使用，即可宏观上表现为被多个用户服务，且每个终端用户都感觉有一个中央处理器（CPU）在专门为它服务。

虚拟技术可归纳为：时分复用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器。

（4）异步

多道程序允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。异步的重要特点是不可预知。

单道程序设计的基本特征：封闭性、顺序性

1.1.4操作系统的目标和功能

为了给多道程序提供良好的运行环境，需要提供：处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。

为了方便用户使用操作系统，为用户提供接口。接口有命令接口和程序接口（由一组系统调用组成，也叫广义指令）

命令接口包括链接命令接口和脱机命令接口。命令解释器和命令解析器（shell）均属于命令接口，面向用户

系统调用是操作系统为应用程序使用内核功能所提供的接口，系统调用只能通过用户程序间接使用，因为操作系统不允许用户直接操作各种硬件资源，因此用户程序只能通过系统调用的方式来请求内核为其服务，间接地使用各种资源。

还可作为扩充机器。

计算机开机后，操作系统最终被加载到RAM。操作系统不能直接用来编程。

说明库函数与系统调用的区别和联系：

库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中。而系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间中，而且许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常要比系统调用的高。因为使用系统调用时，需要上下文的切换及状态的转换（由用户态转向核心态）