操作系统概述
操作系统的概念
一台电脑的诞生：
定义：操作系统，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
角色：
- 系统资源的管理者
- 向上层提供方便易用的服务
- 封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可
- 是最接近硬件的一层软件
功能：
- 处理机管理 — QQ程序正常运行，即对应的进程被CPU处理
- 存储器管理 — 即内存管理，打开QQ.exe时需要把该程序相关数据放入内存
- 文件管理 — 找到QQ.exe的存放位置
- 设备管理 — 视频聊天时，将摄像头设备分配给进程
命令接口：
- 联机命令接口
- 也叫交互式命令接口，特点：用户说一句，系统跟着做一句
- 脱机命令接口
- 也叫批处理命令接口，特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
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。
四个特征
并发
并发：指两个或多个世界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。
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。
注意：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在同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行地执行
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
两种方式：
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，但是一个时间段内只允许一个进程访问该资源
如：QQ和微信视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程
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
所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
如：使用QQ发送文件A、微信发送文件B，宏观上看，两边在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源；微观上看，两个进程时交替着访问硬盘的
注意：失去并发性，共享性就失去了意义；失去了共享性，并发性就不可能实现。因此二者互为存在条件。
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。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。
eg.空分复用技术（虚拟存储器）、时分复用技术（虚拟处理器）
失去了并发性，就谈不上虚拟性
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。
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
发展与分类
// TODO，but 懒得do了
运行机制
预备知识：程序是如何运行的
两种指令
内核程序
内核程序组成了操作系统内核(kernel)，内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分；甚至可以说，一个操作系统只需要有内核就可以了【如：即使没有GUI，也可以通过命令行与操作系统互动】
应用程序
普通程序员写的就是应用程序
两种指令
程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条机器指令的过程，在CPU生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型
特权指令
操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如内存清零指令。这些指令影响重大，只允许内核使用。
非特权指令
应用程序只能使用非特权指令，如加法指令等
两种状态
CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器PSW，其中有一个二进制位，1和0分别表示内核态和用户态
内核态
or：核心态、管态
处于内核态时，说明此时正在运行的事内核程序，此时可以执行特权指令
用户态
or：目态
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
如何实现两种状态的切换？
操作系统的三个基础抽象
操作系统本质上，就是要把混乱的硬件，抽象成干净、可编程、可管理的对象
| 硬件世界 | 操作系统抽象 | 解决的问题 |
|---|---|---|
| CPU | 进程（Process） | 如何同时运行多个程序 |
| 内存芯片 | 虚拟内存（Virtual Memory） | 如何让每个程序觉得自己独占内存 |
| 磁盘 | 文件（File） | 如何长期保存数据 |
进程：对CPU的抽象
CPU只有一个，在某一时刻只能执行一条指令—每个程序都以为自己独占CPU，并发的底层逻辑是快速切换
虚拟内存 —— 对物理内存的抽象
物理内存是一块连续的空间，程序之间怎么不互相干扰？—逻辑地址和物理地址
文件 —— 对磁盘的抽象
一切都是文件，磁盘=文件+目录
程序运行
程序 = 状态 + 状态转移规则
狭义上，操作系统是硬件和软件的中间层，是程序的管理者，管理软件正在运行的状态(everything is a state-machine!)；从软件的视角来看，操作系统就是一组API
程序接口
操作系统的程序接口：操作系统为程序运行扩充的编程接口
系统调用：操作系统实现的完成某种特定功能的过程；为所有运行程序提供访问操作系统的接口
系统调用
实现机制
陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制
陷入指令，也称访管指令或异常中断指令 — purpose：实现系统调用而引起处理器中断
每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器中规定了传递给内部处理程序的参数