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1. 操作系统的基本概念

1.1 操作系统的概念、功能和目标（系统资源的管理者、提供接口、作为扩充机器、虚拟机）​

1.1.1 熟悉的操作系统举例​

  • windows
  • android
  • ios
  • macos
  • linux

1.1.2 操作系统的层次结构​

操作系统的层次结构

1.1.3 操作系统的概念​

  • 是系统最基本最核心的软件，属于系统软件
  • 控制和管理整个计算机的硬件和软件资源
  • 合理的组织、调度计算机的工作与资源的分配
  • 为用户和其它软件提供方便的接口和环境

操作系统的概念

1.1.4 操作系统的功能和目标​

  • 先放一张思维导图，大致知道操作系统的具体功能和目标，然后再一一展开叙述。

操作系统的功能

  • 用一个直观的例子来理解上述图中操作系统的功能：
  • 我们假设：用户是雇主，操作系统是工人（用来操作机器），计算机是机器（由处理机(CPU)、存储器、设备、文件几个部件构成）
  • 工人有熟练的技能去控制和协调各个部件的工作，这就是操作系统对资源的管理
  • 同时，工人必须接受雇主的命令，这就是**“接口”**
  • 有了工人，机器就能发挥更大的作用，因此工人就成了**“扩充机器”**
  • 工人操作机器、机器有了更大的作用比如GUI界面，于是工人便成了扩充机器，去扩充GUI界面等功能

作为计算机系统资源的管理者​

  • 管理软硬件资源、合理的组织、调度计算机的工作与资源的分配

作为计算机系统资源的管理者

处理器（CPU）管理​
  • 在多道程序环境下，cpu的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因此对cpu的管理可理解为对进程的管理。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。附上一张图理解对进程的管理。

cpu管理

存储器管理​
  • 为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。

存储器管理

文件管理​
  • 计算机中所有的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件的管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。

文件管理

设备管理​
  • 设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓存管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。

设备管理

  • 以上4种管理功能都由“工人”负责，“雇主”无序关注。

作为用户与计算机硬件系统之间的接口​

  • 为了让用户方便、快捷、可靠的操作计算机硬件并执行自己的程序，操作系统提供了用户接口
  • 操作系统提供的接口分为两类：命令接口和程序接口
  • 命令接口：用户可以直接使用的，利用这些操作命令来组织和控制作业的执行
  • 程序接口：用户通过程序间接使用的，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务

作为用户与计算机硬件系统之间的接口

命令接口​
  • 命令接口分为两类：联机命令接口和脱机命令接口，用户可以直接调用
  • 联机命令接口：又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，由一组键盘操作命令组成。用户输入一条指令，操作系统就执行一条指令；

联机命令接口

  • 脱机命令接口：又称批处理接口，使用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。用户输入一堆指令，操作系统运行一堆指令。在操作系统运行这些命令时用户不可干预。

脱机命令接口

程序接口​
  • 程序接口：由一组**系统调用（也称广义指令）**组成
  • 用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，只能通过用户程序间接调用
  • 如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其它各种要求

程序接口

动态链接库英文为DLL，是Dynamic Link Library的缩写。DLL是一个包含可由多个程序，同时使用的代码和数据的库。

  • 比如常见的图形用户界面程序接口GUI(Graphical User Interface)

GUI

系统调用 = 系统调用命令 = 广义指令

作为扩充机器（虚拟机）​

  • 没有任何软件支持的计算机称为裸机
  • 覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机

裸机 裸机1

1.2 操作系统的特征（并发、共享、虚拟、异步）​

  • 操作系统是一种系统软件，但与其它系统软件和应用软件有很大的不同，它有自己的特殊性，及基本特征。

操作系统的特征

1. 并发​

  • 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，在微观上是交替发生的， 操作系统的并发性指系统中同时存在着多个运行的程序
  • 并行：两个或多个事件在同一时刻发生
  • 一个单核(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会协调多个程序使他们交替进行（这些程序在宏观上是同时发生的，在微观上是交替进行的）
  • 操作系统是伴随着“多道程序技术出现的”，因此操作系统和并发是一同诞生的
  • 在如今的计算机中，一般都是多核cpu的，即在同一时刻可以并行执行多个程序，比如我的计算机是8核的，我的计算机可以在同一时刻并行执行8个程序，但是事实上我们计算机执行的程序并不止8个，因此并发技术是必须存在的，并发性必不可少。

2. 共享​

  • 资源共享即共享，是指系统中的资源可以供内存中多个并发执行的进程共同使用
  • 共享分为两类：互斥共享和同时共享

1. 互斥共享​

  • 计算机中的某个资源在一段时间内只能允许一个进程访问，别的进程没有使用权
  • 临界资源(独占资源)：在一段时间内只允许一个进程访问的资源，计算机中大多数物理设备及某些软件中的栈、变量和表格都属于临界资源，它们被要求互斥共享
  • 举个例子：比如QQ和微信视频。同一段时间内摄像头只能分配给其中一个进程

2. 同时共享​

  • 计算机中的某个资源在在一段时间内可以同时允许多个进程访问
  • 同时共享通常要求一个请求分为几个时间片段间隔的完成，即交替进行，“分时共享”
  • 这里的同时指在宏观上是同时的，在微观上是交替进行访问的，只是cpu处理速度很快，我们感觉不到，在宏观上感觉是在同时进行
  • 举个例子：比如QQ在发送文件A，微信在发送文件B，宏观上两个进程A和B都在访问磁盘，在我们看来是同时进行的，但是在微观上两个进程A和B是交替进行访问磁盘的，只是时间太短，cpu处理速度太快，我们感觉不到。
  • 注意：有时候多个进程可能真的是在同时进行资源访问，比如玩游戏时可以放音乐，游戏声音和音乐声音都能听见

3. 并发性和共享性互为存在条件​

并发性和共享性互为存在条件

3. 虚拟​

多道程序设计：是指在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。 两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态。这就称为多道程序设计。多道程序技术运行的特征：多道、宏观上并行、微观上串行。

  • 虚拟是把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
  • 物理实体（前者）是实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的事务
  • 虚拟技术：用于实现虚拟的技术
  • 虚拟处理器（CPU）：通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，分时来使用一个CPU，实际物理上只有一个CPU，但是用户感觉到有多个CPU
  • 虚拟存储器：从逻辑上扩充存储器容量，用户感觉到的但实际不存在的存储器
  • 虚拟设备：将一台物理设备虚拟为逻辑上的多台设备，使多个用户在同一时间段内访问同一台设备，即同时共享，用户宏观上感觉是同时的，但实际上是微观交替访问同一台设备的
  • 操作系统的虚拟技术科归纳为：
    • 时分复用技术：如处理器的分时共享
    • 空间复用技术：如虚拟存储器

虚拟技术

4. 异步​

  • 异步：多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，如cpu只有一个，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进。
  • 比如A进程正在占用CPU计算，B进程这时也想占用CPU计算，B进程只有等，等A进程算完了，A进程去访问磁盘资源了，这时B进程再占用CPU进行计算，B进程还没计算完，A进程从磁盘取出资源了，A进程发现B这时在占用CPU，这时A进程就需要等待，等B算完后再继续到CPU中进行计算。由于每个进程占用资源的时间不固定，所以进程的执行以不可预知的速度前进