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1 操作系统概述
特征：并发、共享、虚拟、异步（其中并发和共享最基本）
发展：批处理操作系统 → 分时操作系统 → 实时操作系统 → 网络和分布式操作系统
体系结构：大内核、微内核
1.1 操作系统的目标和功能
什么是操作系统？
- 操作系统是计算机资源的管理者：
- 处理机管理：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度。
- 存储器管理：提高内存利用率，内存的分配与回收、地址映射、内存保护与共享、内存扩充。
- 文件管理：计算机中的信息都是以文件的形式存在的。
- 设备管理：完成用户的I/O请求，方便用户使用设备，提高设备的利用率。
- 操作系统为用户提供使用计算机硬件系统的接口：
- 命令接口：用户通过控制台或终端输入操作命令，向系统提供各种服务要求。
- 程序接口：由系统调用组成，用户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。
- 图形接口：最常见的为图形用户界面（GUI）（最终仍是通过调用程序接口实现）
- 操作系统用作扩充机器
- 没有任何软件支持的计算机称为裸机，实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。
- 操作系统将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器，常将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。
1.2 操作系统的运行机制
在计算机系统中，CPU通常执行两种不同性质的程序：操作系统内核程序（具体实现上位于核心态/管态）和用户自编程序或系统外层的应用程序（具体实现上位于用户态/目态）。内核程序是应用程序的“管理者”，可以执行一些特权指令（如I/O指令、置中断指令、存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等指令），而“被管理程序“出于安全考虑不能执行这些指令。
层次式结构：操作系统的各项功能分别设置在不同的层次上。一些与硬件关联较紧密的模块，诸如时钟管理、中断管理、设备驱动等处于最底层。其次是运行频率较高的程序，诸如进程管理、存储管理和设备管理等。上述这两部分内容构成了操作系统的内核，其指令操作位于核心态。
内核是计算机上配置的底层软件，是计算机功能的延伸，包括以下4个方面的内容：
- 时钟管理：时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。其次，通过时钟中断的管理，可以实现进程切换。在分时操作系统中，采用时间片轮转调度的实现；在实时系统中，按截至时间控制运行的实现。在批处理系统中，还可通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度等。
- 中断机制：引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，主要针对外部设备。之后逐步得到发展，形成了多种类型，成为操作系统各项操作的基础。例如键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等，都依赖于中断机制。可以说，现代操作系统是靠中断驱动的软件。中断机制中，只有一小部分功能属于内核，负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。
- 原语：操作系统底层的一些可被调用的公用小程序，其各自完成一个规定的操作。原语的特点如下：
- 这些程序处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分。
- 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成。
- 定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地进行完再打开中断。
- 这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁。
- 系统控制的数据结构及处理：系统中用于登记状态信息的数据结构很多，例如作业控制块、进程控制块、设备控制块、各类链表等。为了实现有效的管理，系统有如下三种常见的基本操作：
- 进程管理：进程状态管理、进程调度和分配、创建和撤销进程控制块等。
- 存储器管理：存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等。
- 设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等。
1.3 中断和异常
中断（Interruption，外中断）指来自CPU执行指令以外的事件的发生，如设备发出的I/O结束中断、时钟中断等。这一类中断通常是与当前执行的指令无关的事件。
异常（Exception，内中断，例外，陷入）指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、缺页异常等。对异常的处理一般要依赖与当前程序的运行现场，不能被屏蔽。
中断的引入是为了支持CPU和设备之间的并行操作，异常的引入是为了表示CPU执行指令本身时出现的问题。
中断和异常的联系与区别：
- 中断
- 内中断
- 自愿中断：指令中断
- 强迫中断：硬件故障、软件中断
- 外中断（强迫中断）：外设请求、人为干预
不同计算机的中断处理过程各具特色，大多数情况下，中断执行的一般流程如下：
- 关中断：CPU响应中断后，首先要保护程序的现场状态，在保护现场的过程中，CPU不应响应更高级中断源的中断请求。否则，若现场保存不完整，在中断服务程序结束后，也就不能正确地恢复并继续执行现行程序。
- 保存断点：为保证中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来的程序的断点（即程序计数器PC）保存起来。
- 引出中断服务程序：其实质是取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC。
- 保存现场和屏蔽字：进入中断服务程序后，首先要保存现场，现场信息一般是指程序状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容。
- 开中断：允许更高级中断请求得到响应。
- 执行中断服务程序：这是中断请求的目的。
- 关中断：保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断。
- 恢复现场和屏蔽字：将现场和屏蔽字恢复到原来的状态。
- 开中断、中断返回：中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。
以上是多重中断的流程，其中1〜3步由硬件（中断隐指令）完成，4〜9步由中断服务程序完成。
1.4 系统调用
计算机系统的各种硬件资源是有限的，为了更好地管理这些资源，进程不允许被直接操作，所有对这些资源的访问都必须由操作系统控制。即操作系统是使用这些资源的唯一入口，而该入口就是操作系统提供的系统调用。一般情况下系统调用都是通过中断实现（例如Linux系统的中断号0x80）。
系统调用是用户态进程与硬件设备进行交互的一组接口，优点如下：
- 把用户从底层的硬件编程中解放了出来。
- 极大地提高了系统的安全性，使用户程序具有可移植性；用户程序与具体硬件已经被抽象接口所替代。
系统调用流程图如下：
1.5 大内核和微内核
大内核结构将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。由于各模块共享信息，因此性能较高。
由于操作系统不断复杂，因此需要将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。
在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。因为需要频繁地在用户态和核心态之间进行切换，所以会有一定的性能损失。
微内核示意图如下：
2 进程管理
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，此时它们将失去封闭性，并具有间断性及不可再现性的特征。为此引入了进程的概念，以便更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性。
进程是程序的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
在早期操作系统中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程，然而随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端，一是由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时空开销，因此需要引入轻型进程；二是由于对称多处理机（SMP）出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。
线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，每条线程执行不同的任务。
2.1 进程与线程
进程（Process）与线程（Thread）的区别：
- 进程是系统进行资源分配调度的基本单位，线程是CPU调度分派的基本单位。
- 线程依赖于进程而存在，一个进程至少有一个线程。
- 每个进程有独立的地址空间，线程共享所属进程的地址空间。
- 进程是拥有系统资源的一个独立单位，而线程本身几乎不拥有系统资源，只拥有一些在运行中必不可少的资源（如程序计数器、一组寄存器和栈），和其他线程共享本进程的相关资源（如内存、I/O、CPU等）。
- 进程切换涉及到整个当前进程CPU环境的保存环境的设置以及新被调度运行的CPU环境的设置，而线程切换只需保存和设置少量的寄存器内容，不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销远大于线程切换。
- 线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量等数据，而进程之间的通信需要以进程间通信（IPC）的方式进行。
- 多线程程序只要有一个线程崩溃，整个程序就崩溃；但多进程程序中一个进程崩溃不会对其他进程造成影响，因为每个进程有独立的地址空间。因此多进程程序更健壮。
进程和程序的区别：
- 程序是永存的；进程是暂时的，是程序在数据集上的一次执行，有创建有撤销，存在是暂时的。
- 程序是静态的观念，进程是动态的观念。
- 进程具有并发性，而程序没有；
- 进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是。
- 进程和程序不是一一对应的：一个程序可对应多个进程，即多个进程可执行同一程序；一个进程可以执行一个或几个程序。