王道操作系统第1章-操作系统概述
王道操作系统第1章-操作系统概述
操作系统的概念&功能
操作系统:Operating System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,是计算机系统中最基本的系统软件
操作系统是系统资源的管理者
处理机管理
存储器管理
文件管理
设备管理
操作系统向上层提供方便易用的服务
GUI图形界面
联机命令接口(交互式命令接口):cmd窗口,用户说一句,系统跟着做一句
脱机命令接口(批处理命令接口):.bat文件,用户说一堆,系统做一堆
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,如C语言的printf函数
是最接近硬件的一层软件没有任何软件支持的计算机称为逻辑,在裸机上可以安装操作系统.把覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称为虚拟机
Ctrl+shift+esc打开任务管理器
操作系统的特征
并发,共享,虚拟,异步.其中并发和共享是两个最基本的特征,二者互为存在条件
并发
指两个或多个事件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(并行则指两个或多个事件在同一时刻同时发生)
并发VS并行:以约会为例
并行:同一时刻同时进行两个约会任务
并发:8~9点和一号约会,9~10点和二号约会.宏观上看这一天内同时进行两个约会任务,微观上看某一时刻只进行一个约会任务
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
单核CPU同一时刻只能执行一个程序,多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
共享
共享即资源共享,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:
所谓"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)
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,但一个时间段内只允许一个进程访问该资源例:使用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"对它们进行访问例:使用QQ发送文件A,同时使用微信发送文件B.宏观上看两边都在同时读取并发送文件,说明两个进程都在访问硬盘资源,从中读取数据.微观上看两个进程是交替着访问硬盘的
并发和共享的关系
如果失去并发性,则系统中只有一个程序正在运行,则共享性失去了存在的意义
如果失去共享性.则QQ和微信不能同时访问硬盘资源,就无法实现同时发送文件,也就无法并发
所以并发性和共享性互为存在条件
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,逻辑上的对应物是用户感受到的
需要用到空分复用技术(虚拟存储器)/时分复用技术(虚拟处理器)等
虚拟和并发的关系
如果失去了并发性,则一个时间段内系统只需运行一道程序,那么就失去了实现虚拟性的意义了,因此没有并发性就谈不上虚拟性
异步
异步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
异步与并发的关系
由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源,而系统中的资源有限,因此进程会走走停停,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才会一贯到底,只有程序拥有并发性,才有可能导致异步性
操作系统的发展历史和分类
1.手工操作阶段
使用纸带机,输入输出速度慢
主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
2.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
通过外围机把程序提前存到磁带里,磁带的读/写速度比纸带机快很多
主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升
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
3.批处理阶段——多道批处理系统
每次往内存中读入多道程序,操作系统正式诞生,用于支持多道程序并发运行
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,如无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)
4.分时操作系统
计算机以时间片为单位轮流为各个用户、作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互
主要优点：用户请求可以被及时响应，解决了人机交互问题，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
5.实时操作系统
主要优点：能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
实时操作系统可分为
硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如自动驾驶系统
软实时系统：能接受偶尔违反时间规定，如12306火车订票系统
操作系统的运行机制
内核是操作系统最核心的部分，也是最接近硬件的部分
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“管理者”即操作系统内核来使用
在CPU设计和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其类型
内核态(核心态/管态)VS用户态(目态)
CPU有两种状态:内核态和用户态
CPU中有一个程序状态字寄存器PSW,二进制位1表示"内核态",0表示"用户态"
处于内核态时,说明此时正在运行的是内核程序,此时可以执行特权指令
处于用户态时,说明此时正在运行的是应用程序,只能执行非特权指令
内核态与用户态的转换
内核态\rightarrow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\rightarrow内核态:由"中断"引发,硬件自动完成变态过程,出发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
除了非法使用特权指令外,还有很多事件会触发中断信号.一个共性是,但凡需要操作系统介入的地方都会触发中断信号
CPU检测到中断信号后会立即变为"核心态"并停止运行当前的应用程序,转而运行处理中断信号的内核程序
中断和异常
CPU上会运行两种程序,一种是操作系统内核程序(整个系统的管理者),一种是应用程序
在合适的情况下,操作系统会把CPU的使用权主动让给应用程序(第二章进程管理相关内容)
"中断"是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
如果没有"中断"机制,那么一旦应用程序在CPU上运行,CPU就会一直运行这个应用程序
中断的类型
内中断:与当前执行的指令有关,中断信号来源于CPU内部例1:试图在用户态下执行特权指令例2:执行除法指令时发现除数为0例3:有时候应用程序想请求操作系统内核的服务,此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个中断信号。执行陷入指令意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核，“系统调用”就是通过陷入指令完成的
外中断:与当前执行的指令无关,中断信号来源于CPU外部例1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号，每过例如50ms时时钟给CPU发中断信号切换应用程序的执行例2：I/O中断——由输入输出设备发来的中断信号
中断机制的基本原理
内中断：CPU在执行指令时会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
不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置
系统调用
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,IO操作,文件管理)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
传递系统调用参数
执行陷入指令(用户态)
执行相应的内请求核程序处理系统调用(核心态)
返回应用程序
注意:
陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断使CPU进入核心态
发出系统调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理是在核心态下进行
陷入指令=trap指令=访管指令
操作系统体系结构
操作系统的内核
内核是操作系统最基本最核心的部分
操作系统内核需要运行在内核态,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模块都作为系统内核,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:只把最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切换,性能低
频繁地进行状态转换会降低系统性能
典型的大内核操作系统:Linux,UNIX
典型的微内核操作系统:Windows NT
操作系统结构
分层结构
内核分多层,每层可单向调用更低一层提供的接口
优点:
便于调试和验证,自底向上逐层调试验证
易于扩充易于维护,各层之间调用接口清晰固定
缺点:
仅可调用相邻低层,难以合理定义各层的边界
效率低,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,内存管理可加载模块:可以动态加载模块到内核,而无需重新编译整个内核
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(如安装设备驱动程序,安装新的文件系统模块到内核),增强OS适应性
任何模块都可以直接调用其他模块,无需采用消息进行传递通信,效率高
缺点
模块间接口定义未必合理,实用
模块间相互依赖,更难调试和验证
宏内核(大内核)
所有的系统功能都放在内核里(大内核的OS通常也采用了"模块化"的设计思想)
优点
性能高,内核内部各种功能都可以相互直接调用
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,就可能导致整个大系统崩溃
微内核
只把终端,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
内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃
缺点
性能低,需要频繁地切换用户态/核心态
用户态下的各个功能模块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exokernel
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
外核可以直接给用户进程分配"不虚拟,不抽象"的硬件资源,使得用户进程可以更灵活地使用硬件资源
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
使得系统变得复杂
操作系统引导
操作系统引导boot——开机的时候怎么让操作系统运行起来
CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
将磁盘的第一块——主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作
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器，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
同义术语：虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/Virtual Machine Monitor/Hypervisor
两种虚拟机管理程序VMM
第一类VMM:直接运行在硬件上
第二类VMM:运行在宿主操作系统上,如VirtualBox和VMware
第一类VMM第二类VMM对物力资源的控制权直接运行在硬件之上,能直接控制和分配物力资源运行在Host OS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要在原本的磁盘上自行分配存储空间,类似于"外核"的分配方式,分配未经抽象的物理硬件GuestOS拥有自己的虚拟磁盘,该盘实际上是Host OS文件系统的一个大文件,GuestOS分配到的内存是虚拟内存性能性能更好性能更差,需要HostOS作为"中介"可支持的虚拟机数量更多,不需要和HostOS竞争资源,相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机更少,Host OS本身需要使用物理资源,Host OS上云霄的其他进程也需要物理资源虚拟机的可迁移性更差更好,只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台HostOS上,商业化应用更广泛运行模式第一类VMM运行在最高特权级(Ring 0)可以执行最高特权的指令第二类VMM部分运行在用户态,部分运行在内核态,GuestOS发出的系统调用会被VMM截获并转化为VMM对HostOS的系统调用
