第一章--操作系统概述

迟序之数，非出神怪，有形可检，有数可推。——祖冲之

操作系统的概念

操作系统(Operating System, OS)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软件系统。

组成部分：

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  1. 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
  2. 向上层提供方便易用的服务
    • 封装思想：操作系统把复杂的硬件功能封装为相对简单易用的服务，使得用户能方便地使用计算机，无需关心底层硬件原理。
    • 提供的服务：
      • GUI(图形化用户接口)
      • 命令接口：
        • 联机命令接口：交互式命令接口(在cmd中一个个输入命令)
        • 脱机命令接口：批处理命令接口(.bat文件)
        • 程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。只能通过代码调用。(printf()方法)
  3. 作为最接近硬件的层次
    • 实现对硬件机器的拓展

      操作系统组织协调各个硬件(CPU、内存、硬盘等)实现更多更复杂的功能

补充概念：

  • 裸机：没有任何软件支持的计算机。
  • 虚拟机：把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称虚拟机。

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操作系统的特征

并发

并发：指两个或多个事件在同一事件间隔发生，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：两个或多个事件在同一时刻发生。

操作系统的并发性：在计算机系统中，同时运行着多个程序，这些程序宏观上是同时运行的，而微观上看是交替运行的。

CPU：

  • 单核：同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发的执行。
  • 多核：同一时刻可以同时执行多个程序，每个核心可以执行一个程序，多个程序可以并行的执行。

并发特性是与操作系统一起诞生的，是操作系统一个最基本的特性。

共享

共享：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。

方式：

  • 互斥共享方式：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。
    • 例子：手机摄像头只能同时被一个程序访问。
  • 同时共享方式：允许同一个时间段内由多个进程”同时”对它进行访问。
    • 例子：两个程序都在发送文件，交替从硬盘中访问数据。

“同时”：往往是宏观的，微观可能是交替访问的。

虚拟

虚拟：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。

分类：

  • 时分复用技术：分时使用同一资源
    • 例子：CPU时间调度，将 CPU 的运行时间划分为一个个时间片，每个进程轮流占用 CPU。
  • 空分复用技术：空间划分并行使用
    • 例子：虚拟磁盘，一块物理磁盘被划分为多个逻辑卷（如 C、D、E 盘），用户感觉有多个独立磁盘。

异步

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，进程的执行不是一步到底的，而是走走停停，以不可预知的速度前进，这就是程序的异步性。

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  • 并发和共享互为存在条件。
  • 没用并发和共享，就谈不上虚拟化和异步。因此共享和并发是操作系统最基本的两个特征。

os发展与分类

手工操作系统

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单道批处理系统

引入脱机输入输出，由监督程序负责作业的输入输出。

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多道批处理系统(操作系统诞生)

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支持并发执行，共享CPU资源。

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，各个用户可以通过终端与计算机进行交互。

缺点：不能处理紧急任务

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实时操作系统

能够优先处理一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并要在严格的时限内处理完事件。

特点：

  • 及时性
  • 可靠性

分类：

  • 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
  • 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定。

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操作系统的运行机制

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指令：处理器(CPU)能识别、执行的最基本的命令。

注意：此处的指令不是在cmd，shell等终端中输入的命令。而是cpu直接识别执行的一条条指令，类似汇编代码中的一行。

内核态与用户态

操作系统(OS)采用双模操作(Dual-mode operation)来确保系统安全和正常运行。双模操作的目的是保护操作系统和其他系统组件不受错误的用户程序的侵害，同时也防止不同用户程序之间的相互干扰。

双模操作将CPU的运行模式分为两种：(用一个位模式来指示当前的运行模式)

存储位模式的寄存器叫程序状态字寄存器PSW，其中有个二进制位

  1. 内核态(Kernel Mode)：

    • 模式位：0

    • 操作系统(OS)和特权指令在CPU上运行

    • CPU在系统引导启动时，首先以内核态开始运行

    • 模式的转化：当发生系统调用(System call)时，模式会切换到内核态；当系统调用返回时，模式会重置为用户态。

      内核态->用户态：由一条特权指令——修改PSW的标志位为用户态。
      用户态->内核态：由中断引发，硬件自动完成变态过程。触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。System call是一种软件中断。

  2. 用户态(User Mode)：

    • 模式位：1
    • 用户程序在CPU上执行
    • CPU调度通常会导致CPU在用户模式和内核模式之间切换

内核程序与用户程序

内核程序(Kernel)：

  • 定义：计算机上始终运行的那个程序。
  • 操作系统= 内核+系统程序
  • 内核提供文件系统、CPU调度、内存管理以及其他操作系统功能。

用户程序/应用程序(Application Programs)

  • 定义：使用系统资源来解决用户的计算问题。
  • 除了内核和系统程序之外的所有程序都属于应用程序。
  • 用户程序在用户态下运行。

特权指令与非特权指令

特权指令(Privileged Instruction)：

  • 特权指令是指那些可能造成危害的机器指令。
  • 特权指令只能在内核模式下运行。
  • 如果处于用户态的用户程序试图执行特权指令，硬件不会执行这些指令，而是会将其视为非法操作。此时系统会生成一个陷阱(trap)，并将CPU控制权传递给操作系统来处理这个错误。

非特权指令(Non-privileged Instruction)：

  • 非特权指令可以在用户模式下安全的执行。

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中断和异常

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中断

CPU上运行着两种程序：操作系统内核程序和应用程序。

在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序，而中断就是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

类型：

  • 内中断(异常)：与当前执行的指令有关，中断信号来自于CPU内部。
    • 故障(fault)：可能被内核修复的错误。
      • 缺页故障
    • 终止(abort)：内核无法修复的错误。结束程序。
      • 应用程序执行特权指令
      • 执行除法指令时发现除数为0
    • 陷阱(trap)：程序故意引发。
      • 应用程序想进行系统调用，执行陷入指令(trap)，该指令会引发一个内部中断信号。
  • 外中断(中断)：与当前执行的指令无关，中断信号来自于CPU外部。(键盘输入)
    • 时钟中断：时钟部件每隔一个时间片。会给CPU发送一个时钟中断信号。
    • 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

不同的中断信号，需要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存放的位置。

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系统调用

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操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上同一提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中程序接口由一组系统调用组成。

系统接口：是操作系统给应用程序使用的接口，是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。

系统调用与库函数的区别

层级 描述
普通应用程序 可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言 向上提供库函数。时常会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便
操作系统 向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机 ——

为什么系统调用是必须的

对于硬件资源，有些资源我们可以共享访问，而有些资源我们必须互斥访问。如果不对资源的调用统一进行管理，而让每个应用程序直接操控硬件资源，就引发混乱。

由操作系统内核对共享资源进行统一管理，并向上提供系统调用，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求，等待内核分配资源。

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进行统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作(如存储分配，I/O操作，文件管理等)，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，又操作系统内核代为完成。保证系统的稳定性和安全性。

系统调用的分类：

  • 设备管理：完成设备的 请求/释放/请求 等功能
  • 文件管理：完成文件的 读写/创建/删除 等功能
  • 进程管理：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/信号传递 等功能
  • 内存管理：完成内存的 分配/回收 等功能

系统调用的过程

  1. 用户模式：系统调用发起请求
    • 实际编程中，程序通过调用库函数来访问系统调用，而不是直接使用系统调用。
  2. 传递参数：
    • 系统调用通常需要传递比仅标识调用本身更多的信息。
    • 向操作系统传递参数的方法：
      • 寄存器传递
      • 内存块传递：将参数存储在内存中的一个块或表格中，然后将该地址作为参数传递到寄存器中。(Linux中使用)
      • 堆栈传递
  3. 模式切换和执行
    • 系统调用触发一个陷阱/异常
    • 模式切换：CPU从用户模式切换到内核模式
    • 一旦进入内核模式，操作系统内核就开始执行用户程序请求的服务。
  4. 完成与返回
    • 系统调用返回时，CPU模式切换到用户模式。
    • 调度器(scheduler)选择下一个运行的线程/进程，并将控制权交给分派器(dispatcher)，分派器负责将CPU控制权交给该进程/线程，并跳转到用户程序正确的位置继续执行。

操作系统的体系结构

操作系统的内核

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原语：一种特殊的程序，具有原子性，不可被中断。

内核：操作系统中最基本，最核心的部分。

内核程序：实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

大内核与微内核

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宏内核(大内核)

所有的系统功能都放在内核里。

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、进程通信等核心功能放入内核、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，可靠性高。
  • 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，需要频繁切换用户态/核心态
  • 用户状态下的各个模块不能直接相互调用，必须依靠消息传递。

分层结构

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操作系统内核分为多层，每层可单向调用更低一层模块的接口。

优点：

  • 便于调试和验证，自底层向上逐层调试验证。
  • 易于扩充和维护。

缺点：

  • 仅可调用相邻低层，难以合理划分各层边界。
  • 效率低，不可跨层调用。

模块化

将内核划分为多个模块，各个模块之间相互协作。内核 = 主模块 + 可加载内核模块

  • 主模块：只负责核心功能，进程管理、内存管理。
  • 可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需编译整个内核。

优点：

  • 逻辑清晰，易于维护，确定模块间的接口后，就可以多模块并行开发。
  • 支持动态加载新的内核模块，增强OS适应性。
  • 任何模块可以直接调用其他模块，无需采用消息传递，效率高。

缺点：

  • 模块间的接口定义未必合理实用。
  • 模块间相互依赖，更难测试和验证。

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：

  • 外核可以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：

  • 降低了系统一致性
  • 使系统变得更复杂。

操作系统的引导

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  1. CPU从一个特定的主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序。
  2. 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。
  3. 从活动分区(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。
  4. 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(Virtual Machine, VM)，每个虚拟机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)。

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分类 第一类VMM 第二类VMM
对物理资源的控制权 直接运行在物理硬件上，拥有对物理资源的控制权 运行在Host OS之上，物理资源的控制权由Host OS负责
资源分配方式 直接支持Guest OS时，VMM将虚拟主机的硬件资源分配给Guest OS Guest OS的资源是由宿主操作系统分配的，VMM通过宿主操作系统间接分配资源
性能 性能更高 性能较低，容易与Host OS行为“冲突”
可支持的虚拟机数量 更多，不受限于Host OS的支持能力 更少，受限于宿主操作系统的支持能力
虚拟机的安全性 更高，VMM直接控制硬件资源，Guest OS之间相互隔离 较低，Guest OS之间通过宿主操作系统进行资源共享，容易受到攻击
运行模式 VMM运行在最高权限级别（Ring 0），可直接访问硬件资源 VMM运行在用户态，不能直接访问硬件资源，需通过Host OS进行访问
笔记
#操作系统
第一章--操作系统概述
http://blog.ulna520.com/2025/10/23/第一章--操作系统概述_20251023_153138/
Postigita
October 23, 2025
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