操作系统概念
操作系统是指控制和管理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：她是计算机系统中最基本的系统软件。
操作系统的功能与目标
作为系统资源的管理者
提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全、高效
补充知识：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。
向上层提供方便易用的服务
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
程序接口：可以在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。系统调用=广义指令
作为最接近硬件的层次
需要实现对硬件机器的拓展，没有任何软件支持的计算机称为裸机。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
并发：指两个或多个时间在同一时间间隔内发生，这些时间宏观上是同事发生的，但微观上是交替发生的。
常考易混——并行：指两个或多个时间在同一时间同时发生。
操作系统和程序并发是一起诞生的。
考点：
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
并发性是操作系统一个最基本的特征
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。
两种资源共享方式：
互斥共享方式： 系统中某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内指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”对他们进行访问。
并发与共享的关系
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性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。
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。
虚拟技术：空分复用技术（虚拟存储器技术）、时分复用技术（虚拟处理器）
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
如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
操作系统的发展与分类
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。
批处理阶段——多道批处理阶段
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。
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/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
中断与异常
中断
CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
内核态->用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
用户态->内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
中断类型
内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
中断的分类
内中断（异常、例外）：陷阱、陷入（trap），故障（fault），终止（abort）
外中断：时种中断，I/O中断请求
中断机制的基本原理
检查中断信号：
内中断：CPU在执行指令前回检查是否有异常发生
外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
找到相对应的中断处理程序：通过“中断向量表”实现。
系统调用
定义
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
“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
什么功能要用到系统调用：
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
注意别名：陷入指令=trap指令=访管指令
传递系统调用参数->执行陷入指令->执行相应的内请求核程序处理系统调用->返回应用程序
注意：1.陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引起一个内中断，使CPU进入核心态
2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
操作系统的体系结构
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
注意：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
大内核与微内核
大内核：将操作系统的主要功能米快都作为系统内核，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与用户态之间切换，性能低
