操作系统笔记01

操作系统的概念、功能、目标

作为用户和计算机硬件之间的接口

• 提供的功能：

  • 命令接口：
    • 联机命令接口(输入一次，输出一次)
    • 脱机命令接口(批处理命令)
  • 程序接口：
    • 提供系统调用(广义指令)

• 目标： 方便用户使用

关于库函数和系统调用的区别

• 库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在运行在用户空间中
• 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，并且许多库函数都是用系统调用来实现功能

注意

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转换(由用户态转向核心态)

操作系统的特征

并发和并行

并发: 是指两个或多个时间在统一时间间隔发生(宏观同时发生，微观交替发生)

并行: 是指在同一时刻能同时完成两种或两种以上的工作

互斥和共享

互斥: 在一段时间内只允许一个进程访问资源(例如写入操作)

共享: 在一段时间内允许多个进程访问资源(例如读取操作)

虚拟

是指将一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物(例如虚拟机)

异步

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，而是走走停停的，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。(例如C++的async，开辟一个一次性的线程执行并行任务，主线程可以通过future在合适的时机执行等待汇总结果。)

操作系统的发展与分类

手工操作阶段

• 纸带机(用户独占全机，人机速度矛盾)

批处理阶段

• 单道批处理阶段(外围及–磁带)
• 多道批处理系统(操作系统开始出现)

分时操作系统

• 轮流处理作业
• 不能处理紧急任务

实时操作系统

• 优先处理紧急任务
• 硬实时系统: 必须在严格的时间内完成处理
• 软实时系统: 可以偶尔犯错

网络操作系统

分布式操作系统

个人计算机操作系统

操作系统的运行环境

处理器运行模式

• 内核态/核心态/管态
• 用户态/目态

程序的运行原理:

• 高级语言编写代码–>机器指令
• 程序运行的过程就是CPU执行指令的效果

两类程序

• 内核程序
• 应用程序

两类指令

• 特权指令: 是指用户不允许直接使用的指令

  • I/O指令
  • 关中断指令
  • 内存清零指令
  • 存取用于内存保护的级存器
  • 送PSW到程序状态字寄存器的指令

• 非特权指令: 是指允许用户直接使用的指令

  • 无法直接访问系统中的软硬资源
  • 仅限于用户的地址空间

内核(kernel)

• 内核是操作系统最重要最核心的部分
• 有很多内核程序组成操作系统内核

如何改变状态

• 内核态->用户态: 一条修改PSW的特权指令
• 用户态->内核态: 由中断引起，硬件自动完成

中断和异常的概念

中断

• 定义: 是指来自CPU执行指令外部的时间，通常用于信息输入/输出。

  • 时钟中断
  • I/O中断请求

• 分类:

  • 可屏蔽中断: 通过INTR线发出的中断请求，通过改变屏蔽字可以实现多重中断
  • 不可屏蔽中断: 通过NMI线发出的中断请求，通常是紧急的硬件故障

异常

• 定义: 是指来自CPU执行指令内部的时间，例如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件

• 分类:

  • 故障: 由指令执行引起的异常 (软件中断)
  • 自陷: 是一种事先安排的“异常”事件，用于在用户态下调用操作系统内核程序 (软件中断)
  • 终止: 出现了使得CPU无法继续执行的硬件故障 (硬件中断)

中断机制的基本实现原理

• 检查中断信号
  • 内中断: CPU在执行指令时会检查是否会有异常发生
  • 外中断: 每个指令周期末尾，CPU都会检查是否由外中断信号需要处理
• 找到相应的中断处理程序
  • 通过“中断向量表”实现

系统调用

凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并有操作系统代为完成

• 设备管理: 完成设备的请求或释放，以及设备的启动等功能
• 文件管理: 完成文件的读、写、创建、删除等功能
• 进程控制: 完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能
• 进程通信: 完成进程之间的消息传递或信号传递
• 内存管理: 完成内存分配、回收及获取作业占用内存区大小和起始地址等功能

系统调用的过程

• 传参
• 陷入指令/Trap/访管
• 由操作系统内核程序处理系统调用请求
• 返回应用程序

操作系统的运行机制和体系结构

分层结构

内核分多层，每层可以单项调用更低一层提供的接口

优点:

• 便于系统的调试和验证，自底向上逐层调试验证，简化了系统设计和实现
• 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定

缺点:

• 合理定义各层关系比较困难，仅可调用相邻底层，难以合理定义各层的边界
• 效率较差，不可跨层调用，系统调用执行时间长

模块化

将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作

内核 = 主模块+可加载内核模块

主模块: 只负责核心功能，如进程调度、内存管理
可加载内核模块: 可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核

flowchart TD
    操作系统 ---|模块| 进程管理
    操作系统 --- 存储器管理
    操作系统 --- 文件管理
    进程管理 ---|子模块| 进程控制
    进程管理 --- 进程调度
    存储器管理 --- 内存分配
    存储器管理 --- 内存保护
    文件管理 --- 磁盘管理
    文件管理 --- 目录管理

优点:

• 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
• 支持动态加载新的内核模块(安装设备驱动、安装新的文件系统模块到内核)，增强OS的适应性
• 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高

缺点:

• 模块间的接口定义未必合理、使用
• 模块间相互以来，更难调试和验证

宏内核

所有的系统功能都放在内核里（大内核结构的OS通常也采用了“模块的”的设计思想）

优点:

• 性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用

缺点:

• 内核庞大功能复杂，难以维护
• 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃

微内核

只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态

优点:

• 内核小功能少、易于维护，内核可靠性高
• 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统的崩溃

缺点:

• 性能低，需要频繁切换用户态/核心态
• 用户态下的各功能不可以直接相互调用，只能通过内核的“消息传递”来间接通信

外核

内核负责进程调度、进程通信等功能。外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全

优点:

• 外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源
• 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率

缺点:

• 降低了系统的一致性
• 使系统变得更加复杂

操作系统引导

1. 激活CPU
2. 硬件自检
3. 加载带有操作系统的硬盘
4. 加载MBR(主引导记录)
5. 扫描硬盘分区表
6. 加载分区引导记录
7. 加载启动管理器
8. 加载操作系统

虚拟机

虚拟机: 使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机起，每个虚拟机起都可以独立运行一个操作系统

两类虚拟机管理程序的对比
	第一类VM	第二类VM
对物理资源的控制权	直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源	运行在HOST OS之上，依赖于HOST OS为其分配物理资源
资源分配方式	在安装GUEST OS时，VMM要在原本的硬盘上进行分配	GUEST OS拥有自己的虚拟硬盘，是HOST OS文件系统中的一个大文件，
性能	性能更好	性能更差
可支持的虚拟机数量	更多，不需要和HOST OS竞争资源	更少，HOST OS本身也需要一定的系统资源
虚拟机的可迁移性	更差	只需要导出镜像文件即可
运行模式	运行在最高特权级，可以执行最高特权的指令	部分运行在用户态、部分运行在内核态。GUEST OS发出的系统调用会被VMM截获，转换为VMM对HOST OS的系统调用