操作系统基础
1. 基本概念
1.1. 操作系统的目标
**方便性（用户）：**良好一致的用户接口；
**有效性（管理员）：**有效利用外设，软硬件资源；
**可扩充性：**新增/修改功能模块；
开放性：遵循标准规范；
1.2. 操作系统的作用
作为用户和硬件系统之间的接口；
管理计算机系统资源；
对计算机资源的抽象（用 API 操作硬件）；
1.3. 操作系统的特性
三种基本操作系统：多道批处理系统，分时系统，实时系统；
三种系统的共同基本特征：并发，共享，虚拟，异步；
不同的特征：
批处理系统：较高资源利用率和吞吐量；
分时系统：响应及时；
实时系统：实时性；
并发（Concurrence）
- 区分：并行与并发
共享（Sharing）
互斥共享：某些系统资源（如打印机）同一时间段内只允许一个进程访问，系统应建立一个机制，确保多个进程对这类资源的互斥访问；
同时访问：同一时间段内允许多个进程“同时”进行访问的系统资源（如磁盘，或一些用重入码编写的文件）；
虚拟（Virtual）
时分复用技术
虚拟处理机
虚拟设备
空分复用技术
虚拟磁盘
虚拟主存
异步（Asynchronism）
定义：进程向前推进的速度，程序完成所花费的时间在并发系统中是不可预知的；
原因：由于某些系统资源的互斥性，处于内存中的多个进程提出资源占用请求时可能需要等待，而等待的时间未知，加之进程能获得处理机运行的时间未知，导致并发系统中，一个程序完成所实际需要的时间是不可预知的；
1.4. 操作系统的主要功能
传统 OS：处理机管理，存储器管理，设备管理，文件管理等功能，和提供方便的用户接口；
处理机管理：进程控制，进程同步，进程通信，调度（作业调度，进程调度）
存储器管理：内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充；
设备管理
主要任务：完成用户进程提出的 IO 请求，提高 CPU 和 IO 设备的利用率，提高 IO 速度；
功能：缓冲管理，设备分配，设备处理；
文件管理：存储空间管理，目录管理，文件读写管理，文件保护；
用户接口：联机接口，脱机接口，图形接口，程序接口；
联机用户接口：命令接口和解释程序；
脱机用户接口：脚本，作业控制语言；
程序接口：为用户程序在执行中访问系统资源而设置的接口，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径；
2. 操作系统的发展过程
2.1. 无 OS 的计算机系统
人工操作方式：纸带穿孔直接送入计算机；
- 缺点：用户独占全部计算资源，CPU 需要等待人工操作，利用率低。
脱机 IO 方式：外围机将纸带数据输入磁带，再输入计算机；
- 磁带输入速度快，减少了 CPU 空闲时间，提高了 IO 速度。
2.2. 单道批处理系统（Simple Batch Processing System）
处理过程：一批作业先输入到磁带上，再在监督程序控制下，由系统连续处理；
缺点：系统资源（CPU）利用率低，程序 IO 时，CPU 空闲，且 IO 设备速度低加剧问题；
2.3. 多道批处理系统
基本概念：引入了多道程序设计技术形成的批处理系统
优点
资源利用率高，CPU 能最大限度保持忙碌状态，同时提高了内存的利用率和 IO 设备利用率；
系统吞吐量大，单位时间内能处理的工作数提高；
系统调度开销小
缺点
周转时间延长，由于作业排队处理，对于单个作业，其周转时间可能较长；
无交互能力，用户提交作业到系统后，无法与作业进行交互，修改与调试程序极为不便；
需要解决的问题
处理机分配：满足多个程序运行需要的同时，提高处理机利用率；
内存分配和保护；
IO 设备分配：方便用户使用设备的同时，提高设备利用率；
文件的组织与管理；
作业管理；
用户与系统的接口；
2.4. 分时系统（Time Sharing System）
为了满足**人机交互（共享主机）**的需求，而引入的一种新型 OS；
关键概念：时间片，时间片轮转
关键问题：实现用户与作业的交互
及时接收作业（使用多路卡）
及时处理作业
作业直接进入内存
作业轮转运行，每个作业每次只能运行一个时间片
特征：多路性，独立性，及时性，交互性；
2.5. 实时系统（Real Time System）
常见的几种实时系统：工业或武器控制 OS，信息查询 OS，多媒体 OS，嵌入式；
实时任务的类型
周期性和非周期性任务：看外部设备发出的激励信号有无明显周期性，但都需要具有截止时间；
硬实时任务和软实时任务：是否必须满足截止时间要求，对于软实时任务，错过截止时间对系统产生的影响也不大。
3. 程序运行环境
3.1. CPU 运行模式
内核模式和用户模式
内核态（管态，系统态）：系统管理程序执行时的状态。具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有的寄存器和存储区；
用户态（目态）：用户程序执行时的状态。具有较低的特权，只能执行规定指令；访问指定的寄存器和存储区；CPU 的指令集分为特权指令和非特权指令两类；
注意：以上两种为模式为概括性描述，实际 CPU 工作模式远多于这两种；
3.2. 中断和异常处理
中断（Interrupt）是处理机对系统内外发生的异步事件的响应；
异常（或陷阱，Trap）是系统发起的一次确定的服务过程；
3.3. 系统调用
系统调用是应用程序请求 OS 内核完成某功能的一种过程调用；
系统调用是特殊的过程调用，和一般的过程调用由如下区别
系统调用时，CPU 会运行在不同的系统状态，涉及到状态切换；
返回值问题；
嵌套调用；
区分：看是否涉及到 OS 完成某一功能，一般与 IO 有关；
3.4. 程序的链接和装入
用户程序要在系统中运行，通常要经过以下步骤（静态链接）
编译（Compile）：由编译程序进行编译，生成若干个模块（Object Module）；
链接（Link）：由链接程序将上述模块以及所需库链接，形成完整的装入模块（Load Module）
装入（Load）：由装入程序将模块装入内存（装入程序为系统软件）；
图示
程序的装入方式
绝对装入（Absolute Loading Mode）
场合：单道批处理 OS；
特点：程序装入内存的地址是固定的，编译和链接时产生的都是物理地址，无逻辑地址；
可重定位装入（Relocation Loading Mode）
特点：装入时将程序指令中的逻辑地址全部替换为内存中的物理地址；
也称为静态重定位装入
动态运行时装入（Dynamic Runtime Loading）
- 特点：装入时，程序指令中的逻辑地址不进行替换，当运行到相关指令时，再动态计算物理地址；
程序的链接方式
静态链接（Static Linking）
将程序所用到的库函数实现全部封装至可执行文件中；
特点：程序一般比较大，但是跨平台性好；
装入时动态链接（Load-time Dynamic Linking）（不常考）
运行时动态链接（Runtime Dynamic Linking）
运行到缺失实现的函数时，再去库文件搜索对应实现，装入内存运行；
特点：程序本体精简，体积小；
3.5. 程序运行时的内存映像与地址空间（了解）
装载到内存中的程序代码区域称为程序的内存映像，按存放的内容可分为 3 个区域
程序区：存放程序指令；
静态存储区：存储永久数据；
动态存储区：存放临时数据；
4. 操作系统体系结构（了解）
4.1. 分层
分层法的设计任务：在目标系统
和裸机系统（又称宿主系统） 之间，铺设若干个层次的软件 ，使得 通过这些中间层能够在 上运行； 优缺点：
优点
容易保证系统正确性；
容易扩充，可维护性好；
缺点
- 系统开发效率低（每层之间都要建立通信机制，且 OS 的每个功能都要自上而下穿越多个层次，修改代价高）
4.2. 模块化设计
概念：一种结构化的程序设计技术，基于“分解”和“模块化”的原则来控制大型软件的复杂度；按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块；
关键：模块化设计中，关键问题是模块的划分和设计模块之间的接口；
4.3. 宏内核
- 概念：将内核（进程、线程和内存管理，文件系统，驱动，网络协议等核心功能）从整体上作为一个大过程实现，同时运行在一个单独的地址空间。所有的内核服务都在一个地址空间运行，相互之间直接调用函数，简单高效。
4.4. 微内核（主流）
足够小的内核：指精心设计的，能够实现现代 OS 最基本功能的小型内核，通常包含
与硬件处理紧密相关的部分；
现代 OS 较为基本的功能；
客户和服务器之间的通信；
基于客户/服务器模式（C/S 模式）
- 程序进行内核调用时，类似于客户端向服务端发送请求的过程；
基于“策略与机制分离”原则；
机制：指内核具有的功能特性，例如进程切换功能；
策略：机制的具体算法实现，这部分不放在内核中；
面向对象技术；
4.5. 外核
主要任务是为虚拟机分配资源，并确保不同虚拟机之间的资源相互独立；
每个用户层的虚拟机可以运行自己的 OS，但只能使用自己申请并获得分配的资源来运行；
5. 操作系统引导
5.1. 传统 BIOS 引导和 UEFI 引导
传统 BIOS 引导过程
第一步：BIOS 启动，BIOS 内 bootstrap 程序启动，执行硬件检查；
第二步：读取 MBR（Master Boot Record，主引导记录）内容，启动激活分区；
第三步：从激活分区读取对应系统的引导加载程序（如 Windows 是 bootmgr）；
第四步：读取 BCD（Boot Configuration Data，启动设置数据）；
第五步：启动系统（如 Windows 是启动 winload.exe）；
UEFI 引导过程（现在主流）
- FAT 分区是磁盘上的一个分区；
6. 虚拟机
6.1. 第一类虚拟机
指虚拟机监控程序，在逻辑上运行并具备了多道程序功能；
该系统向上层提供若干台虚拟机，是裸机硬件的精确复制品；
6.2. 第二类虚拟机
提供虚拟系统服务，管理程序，利用宿主 OS 及其文件系统创建进程，存储文件等；
例如：虚拟机 Linux（WSL）
小结
基本概念；
用甘特图分析多道批处理系统；