操作系统概述

基本概念

操作系统提供：

处理机(CPU)管理
存储器管理
文件管理
设备管理

操作系统的目标：

向上层提供方便易用的服务/接口

操作系统的交互方式：

GUI图形化命令交互界面
联机命令接口：交互式命令接口
脱机命令接口：例如.bat批处理文件
程序接口：在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户只能通过程序代码间接调用

四个特征

分别是并发，共享，虚拟，异步

并发

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件在宏观上同时发生，在微观上是交替进行的

并行是指两个或多个事件在同一时刻同时发生

操作系统的并发性是指计算机系统中同时运行多个程序，在宏观上程序在同时运行，在微观上是交替进行的

对于单核CPU，多个程序只能并发运行
对于多核CPU，多个程序可以并行运行

共享

互斥型：某些资源一个时间段只允许一个进程访问该资源
同时型：允许一个时间段内由多个进程同时(微观上仍然是交替访问)对他们进行访问

共享与并发是互为存在的基础，也是最基本的特征

虚拟

将一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。

虚拟技术分有

空分复用技术：如虚拟内存
时分复用技术：如虚拟处理器

而虚拟技术显然是基于并发性而实现的。

异步

在多个程序并发执行时，由于资源的限制，进程执行非线性进行

运行机制

操作系统的实现基于很多内核程序的组成，即内核，是操作系统最核心最重要的部分

而Docker就是只有Linux内核的镜像操作系统

指令又分为特权指令和非特权指令，只有内核可以使用特权指令

CPU在执行一条指令前就可以判断其类型

CPU分有内核态与用户态：

运行内核程序时，处于内核态，可以执行特权指令
运行应用程序时，处于用户态，只能执行非特权指令
CPU通过程序状态字寄存器PSW分辨状态，1为内核态，0为用户态

如果应用程序中含有特权指令，如果CPU处于用户态读到该特权指令时会触发中断信号，停止运行应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序，此时从用户态转为内核态。

中断与异常

中断：操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径，是并发的实现基础

内中断：与当前执行指令有关，来源于CPU内部，又称异常
- 分有陷入、故障、终止
- 陷入指令并不是特权指令，可以实现系统调用
外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部，可以基此实现并发
- 通常由外部时钟部件，I/O中断请求触发

故障：非法操作码、缺页故障、除数为0、运算溢出

陷入：条件陷阱指令，用于用户态下调用操作系统内核程序

终止：控制器出错、存储器校验错

实现原理

操作系统维护/初始化一张中断向量表，其包含中断信号类型与对应的中断服务程序指针。

发生中断:

硬件(程序计数器PC)自动保存断点
硬件找到该中断信号的中断向量，其指明中断服务程序入口地址
执行中断服务程序，保存PSW、中断屏蔽字、各通用寄存器的值，提供中断服务，由操作系统完成。

显然，中断服务程序是个内核程序

系统调用

实现互斥型共享的基础。

由操作系统内核对共享资源统一管理，向上层程序提供系统调用。

凡是对共享资源的操作(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，由操作系统内核代为完成。

运行机制

程序中传递系统调用参数：

执行陷入指令，又称trap、访管指令（用户态）
执行相应的内核请求程序处理系统调用（核心态）
返回应用程序

体系结构

分有大内核与微内核、分层结构、模块化、外核5种

大内核：将OS的主要功能模块都作为系统内核，在核心态运行

高性能
内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核：机制与策略分离只把最基本的功能(机制)保留在内核

内核功能少，结构清晰，维护方便
需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低
仅保留进程/线程管理，低级存储器管理，中断和陷入处理

分层结构：最底层为硬件，最高层为用户接口

便于调试验证，每层只能使用更低一层的功能

操作系统引导

CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM引导程序
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（主分区）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OS初始化程序并执行