1.1 基本概念
1.1.1 概念
控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地调度和组织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的程序集合。
1.1.2 特征
- 并发：多个事件在同一时间间隔内发生
- 共享：资源共享，供内存中多个并发执行的进程共同使用。包括互斥共享和同时访问式共享。
以上二者是现代操作系统最基本的特征。此外还有：
- 虚拟：把物理上实体转为逻辑上对应物
- 异步：进程执行走走停停以不可预知的速度推进。
1.1.3 目标和功能
计算机资源的管理者
- 处理器管理：以线程为基本单位，避免冲突、合理共享。
- 储存器管理：为多道程序的运行提供良好环境。
- 文件管理：操作系统中该部分称为文件系统，包括空间、目录管理以及保护等
- 设备管理：完成用户的IO请求，提高设备利用率
用户和计算机硬件之间的接口
- 命令接口：分为联机（交互式）和脱机（批处理）
- 程序接口：由系统调用组成。用户使用这些系统调用命令实现系统服务。
- 扩充机器：裸机+软件=扩充机器（虚拟机）
习题记录
B C D D D
B DxC D B CxB
CxA AxC A A A
BxD C D D
库函数和系统调用的区别：前者属于应用程序，后者属于操作系统。前者可以调用后者，但是不调用的情况下效率更高（因为会产生用户态和核心态的转换）。
1.2 发展和分类
1.2.1 手工操作
1.2.2 批处理阶段
- 单道批处理：自动性、顺序性、单道性。
- 多道批处理：宏观上并行，微观上串行。主要用于充分使用I/O设备，避免占用时的等待。
1.2.3 分时操作系统
关键是实时性，通过优先级和可抢占式的算法实现，基于时间片轮转。
- 同时性、交互性、独立性
1.2.4 实时操作系统
及时性、可靠性。
1.2.5 网络操作系统、分布式系统
若干台计算机相互协同完成同一任务。
习题记录
D D C B CxA
AxD CxB AxC DxB D
C CxB C B BACD
1.3 运行环境
1.3.1 运行机制
操作系统分为用户态（目态）和核心态（管态）。
内核的主要作用为：
- 时钟管理：提供标准系统时间、实现进程切换（如分时系统的时间片轮转、实时系统按截止时间控制运行）
- 中断机制：只有一小部分功能属于内核，负责保护和回复终端现场的信息以及转移程序控制权。
- 原语：即最底层、具有原子性且调用频繁且用时很短的程序，如CPU切换、进程通信等。
- 系统控制的数据结构及处理，通过系统中用来等级状态信息的数据结构（进程控制块PCB、设备控制快、各种缓冲区等）来实现基本管理，如进程管理、存储器管理、设备管理。
1.3.2 中断和异常
用户态和核心态的切换主要通过中断和异常实现，底层硬件实现，如硬件标志位置位（用户态1）和复位（核心态0）
- 中断Interruption：外中断，由外部设备发出，一般与当前运行程序无关，强制中断
- 异常Exception：内中断、例外、Trap，分自行中断和强迫中断
1.3.3 系统调用
- 主要包括：设备管理、文件管理、进程控制和通信、内存管理等。系统调用运行在核心态。
- 主要步骤：用户进程执行（用户态）-进行系统调用-自陷-执行系统调用（核心态）-从系统调用返回
- 常见从用户态转向核心态的情况：系统调用、发生中断、程序出错、程序试图执行特权指令。（特别的，访管指令是在用户态使用的，不属于特权指令）
- 从用户态转向核心态，堆栈也会从用户堆栈转向系统堆栈
- 从核心态转向用户态的情况：一般由中断返回指令（属于特权指令）进行。
1.4 操作系统体系结构
1.4.1 大内核、微内核
- 大内核操作系统主要功能模块作为一个整体运行在核心态，包括进程管理、虚拟内存、IO设备管理、文件系统等，具有模块化特点，但代码复杂难以维护
- 微内核操作系统将内核中最基本的功能保留在内核，将其他不需要在和心态至新的功能移动到用户态执行，从而降低内核设计复杂性。
