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1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的定义

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系统软件。

1.1.2 操作系统的功能和目标

资源的管理者（四大管理功能）

• 处理机管理：管理 $CPU$，负责进程调度、分配处理器资源
• 存储器管理：管理内存，负责内存分配、地址映射、内存保护与扩充
• 文件管理：管理文件，负责文件的存取、共享、保护，管理外存
• 设备管理：管理 $(I/O)$ 外设，负责设备分配、缓冲管理等

向上层提供服务（接口分类）

操作系统向上提供三类接口，供不同对象使用：

给普通用户使用：用户接口（命令接口）

1. 联机命令接口（交互式命令接口） 实例：$Windows$ 系统的 $cmd$ 命令提示符。 特点：用户输入一条命令，操作系统立刻执行、给出反馈，交互式实时操作。
2. 脱机命令接口（批处理命令接口） 实例：$Windows$ 批处理 .bat 脚本文件。 特点：提前把多条命令写在脚本中，一次性提交给操作系统，系统自动批量执行，不需要用户逐条交互。

补充：$GUI$ 图形用户界面，也属于面向普通用户的接口，依托鼠标、窗口可视化操作。

给软件/程序员使用：程序接口

程序接口，由一系列系统调用组成。

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。

调用流程示例： 程序员 → $C$ 语言库函数（如 $printf$） → 系统调用（操作系统程序接口） → 操作系统内核 → 硬件（显示器） 举例：$C$ 语言 $Hello World$ 的 $printf$ 底层，就调用操作系统显示相关的系统调用。

重点：系统调用是应用程序请求操作系统服务的唯一方式，类似函数调用，是用户态进入内核态的途径。

对硬件机器的扩展：扩充机器

操作系统把裸机（只有硬件的计算机）改造为功能更强、使用更方便的扩充机器（虚拟机），屏蔽硬件底层复杂细节，向上提供易用服务。

1.1.3 操作系统的特征

操作系统有四大特征：并发、共享、虚拟、异步；其中并发、共享是操作系统两个最基本的特征。

并发

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
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。

注意：
单核 $CPU$ 同一时刻只能执行一个程序，各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比如 $4$ 核 $CPU$，可以并行地执行 $4$ 个程序。

区分：

• 并发：宏观同时，微观交替
• 并行：同一时刻同时执行

共享

共享性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。
共享即资源共享，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。

资源共享分为两种方式：

1. 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。
   实例：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。

2. 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。
   所谓的“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）。
   实例：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。

并发与共享的关系

例子：使用 $QQ$ 发送文件 $A$，同时使用微信发送文件 $B$。

1. 两个进程正在并发执行（并发性）
2. 需要共享地访问硬盘资源（共享性）

• 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

结论：并发与共享互为存在条件。

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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

虚拟技术分为两类：

• 时分复用技术（如虚拟处理器技术）
• 空分复用技术（如虚拟存储技术）

实例：单核 $CPU$ 上运行多个进程，用户会感觉有多个独立的处理器在运行程序，这就是时分复用带来的虚拟；物理内存通过虚拟存储技术，让程序感知到更大的逻辑内存空间，属于空分复用。

异步

异步是指，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，这就是进程的异步性。

1.2操作系统发展与分类

手工操作阶段

特点：用户独占整机，人工装取纸带完成输入输出
缺点：人机速度矛盾，$CPU$ 大量空闲，资源利用率极低

批处理阶段

1. 单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术，监督程序管理作业 $(I/O)$

• 优点：一定程度缓解人机速度矛盾，资源利用率有所提升
• 缺点：内存同一时刻只有一道程序运行；$CPU$ 等待 $(I/O)$，资源利用率依然很低

2. 多道批处理系统（操作系统正式诞生）

内存同时载入多道程序，程序并发执行

• 优点：多道程序并发、资源共享，$CPU$ 利用率、系统吞吐量大幅提高
• 缺点：无交互能力，提交作业后用户无法干预程序运行，响应时间长

分时操作系统

以时间片轮转的方式轮流为多个终端用户服务

• 优点：支持人机交互；多用户同时使用一台主机，相互独立，用户感觉独占计算机
• 缺点：公平分配时间片，不能优先处理紧急任务

实时操作系统

核心特征：及时性、可靠性，可优先响应紧急任务，紧急任务不需要排队等时间片

• 硬实时系统：必须在绝对严格时限内完成处理，超时会造成严重后果
  例：导弹控制系统、自动驾驶系统
• 软实时系统：允许偶尔违反时间规定，超时不会造成灾难性后果
  例：$12306$ 火车订票系统

其他操作系统

• 网络操作系统：实现网络中多机通信、资源共享
• 分布式操作系统：多台计算机协同，对外像一台机器
• 个人计算机操作系统：面向单用户，如 $Windows$、$macOS$

1.3操作系统运行环境

1.3.1运行机制

程序分类

• 内核程序：操作系统内核使用的程序
• 应用程序：普通用户/程序员编写的程序

两种指令

$CPU$ 在出厂时就划分了特权指令与非特权指令，$CPU$ 执行指令前可判断指令类型

• 特权指令：影响重大，仅允许操作系统内核使用，如内存清零指令
• 非特权指令：应用程序可使用，如加法指令、减法指令

两种处理器状态（$CPU$ 状态）

别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态

• 内核态：正在运行内核程序，可执行特权指令与非特权指令

• 用户态：正在运行应用程序，只能执行非特权指令

  内核是操作系统最重要最核心最接近硬件的部分，由大量内核程序组成。 $CPU$ 中有程序状态字寄存器（$PSW$），用其中一位标记状态，$1$ 表示“内核态”，$0$ 表示“用户态”

状态转换（变态）

1. 内核态 $\boldsymbol{\rightarrow}$ 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。

   操作系统内核在让出 $CPU$ 之前，会用一条特权指令把 $PSW$ 的标志位设置为“用户态”

2. 用户态 $\boldsymbol{\rightarrow}$ 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。

   共性：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“内核态”，停止运行当前应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序？

1.3.2中断和异常

中断的作用

“中断”是让操作系统内核夺回 $CPU$ 使用权的唯一途径。

• 让操作系统内核强行夺回 $CPU$ 的控制权
• 使 $CPU$ 从用户态变为内核态

补充： 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”，操作系统主动让出 $CPU$ 使用权。 用户态 $\rightarrow$ 内核态：由中断引发，硬件自动完成状态切换，操作系统强行夺回 $CPU$ 使用权。 如果没有中断机制，一旦应用程序占用 $CPU$，$CPU$ 会一直运行该应用程序，无法实现并发。

中断的分类（广义中断）

大多数教材、试卷中，“中断”特指狭义的中断（外中断），内中断一般称为异常。

1. 内中断（异常）

信号来自 $CPU$ 内部，与当前执行指令有关

1. 陷阱、陷入（trap）：由陷入指令引发，是应用程序主动触发。 例：系统调用，应用程序请求操作系统内核服务，主动交出 $CPU$ 控制权。
2. 故障（fault）：由错误条件引起，内核有可能修复；修复完成后将 $CPU$ 交回应用程序继续执行。 例：缺页故障。
3. 终止（abort）：由致命错误引起，内核无法修复，一般不再交还 $CPU$，直接终止应用程序。 例：整数除 $0$、用户态非法执行特权指令。

2. 外中断（狭义的中断）

信号来自 $CPU$ 外部，与当前执行指令无关，每条指令周期末尾 $CPU$ 才检查外中断信号

• 时钟中断：时钟部件每隔固定时间（如 $50\mathrm{ms}$）发送中断信号，用于时间片轮转。
• $(I/O)$ 中断请求：输入输出设备完成任务后，向 $CPU$ 发送中断信号。

中断机制的基本实现原理

1. 检查中断信号

   • 内中断：$CPU$ 在执行指令时检查是否有异常发生
   • 外中断：在每个指令周期末尾，$CPU$ 检查是否有外中断信号

2. 找到相应的中断处理程序 通过中断向量表实现：不同中断信号对应不同中断处理程序；$CPU$ 检测中断信号后，查询中断向量表，找到中断处理程序在内存中的位置。

   中断处理程序属于内核程序，运行在内核态。

1.3.3 系统调用

系统调用的定义

系统调用是操作系统内核提供给应用程序使用的接口。凡是涉及系统共享资源的操作，必须通过系统调用向内核发起请求，由操作系统代为完成，是用户程序请求内核服务的唯一入口。

系统资源由操作系统统一管控，不允许用户程序直接操作硬件、内存等共享资源，以此保障系统安全稳定。

系统调用与库函数

层次从底层到上层：裸机 $\rightarrow$ 操作系统 $\rightarrow$ 编程语言库函数 $\rightarrow$ 普通应用程序

• 系统调用：操作系统内核提供，运行于内核态，完成资源相关操作。

• 库函数：编程语言提供，运行于用户态。一部分库函数封装系统调用，隐藏底层细节；一部分库函数完全不涉及系统调用。

  例：$abs()$ 取绝对值库函数，不需要系统调用；$fopen()$ 文件打开库函数，底层会调用文件相关系统调用。

为什么必须要有系统调用？

计算机里的硬件、文件、内存、进程都属于系统共享资源，多个进程会竞争使用。 如果允许用户程序直接操作硬件 / 内存，会产生冲突、破坏系统，不安全、不稳定。

规则：凡是和共享资源有关、会影响其他进程的操作，必须交给操作系统内核完成，必须通过系统调用。
例子：$Word$ 和 $WPS$ 同时向打印机发打印请求，由内核统一调度打印机资源。

系统调用的分类

1. 设备管理：设备请求、释放、启动读写外设
2. 文件管理：文件创建、删除、读、写
3. 进程控制：进程创建、撤销、阻塞、唤醒
4. 进程通信：进程之间消息、信号传递
5. 内存管理：内存分配、内存回收

系统调用的处理过程

1. 传递参数：应用程序处于用户态，将系统调用所需要的参数放到通用寄存器。

2. 执行陷入指令（访管指令）

   陷入指令在用户态执行，执行后触发内中断，$CPU$ 完成用户态向内核态的切换。

3. 内核执行对应服务程序：$CPU$ 切换至内核态，操作系统内核执行对应的系统调用服务子程序，完成资源操作。

4. 返回用户程序：内核处理完毕，将 $CPU$ 从内核态切回用户态，回到应用程序继续执行。

陷入指令是用户态主动进入内核态的唯一手段；系统调用请求发出发生在用户态，真正资源操作发生在内核态。

1.4 操作系统体系结构

操作系统内核

内核是操作系统最基本、最核心的部分。 实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

内核包含模块

• 时钟管理：实现计时功能
• 中断处理：负责实现中断机制
• 原语
  • 是一种特殊的程序
  • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
  • 这种程序的运行具有原子性——其运行不可中断
  • 运行时间较短、调用频繁
• 对系统资源进行管理的功能
  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

时钟管理、中断处理、原语：与硬件关联较紧密的模块 进程管理、存储器管理、设备管理：这些管理工作更多的是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件

操作系统的两种体系结构

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和用户态之间切换，性能低

典型的大内核/宏内核/单内核操作系统：$Linux$、$UNIX$ 典型的微内核操作系统：$Windows\ NT$

大内核与微内核的对比

场景：应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理

• 大内核：两次变态
• 微内核：六次变态

注意：变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

操作系统的体系结构补充

1. 分层结构

分层结构将操作系统按功能划分为多个层次，每层只对上一层提供服务，并隐藏底层实现细节。

• 优点：结构清晰，便于调试和验证；每层可独立测试，便于移植；支持增量开发，可逐层实现。
• 缺点：层次划分会增加系统开销；每层之间存在严格接口约束，跨层访问受限；效率可能低于其他结构。

分层结构的核心思想是：每一层只做有限职责，通过接口向上提供服务。

2. 模块化结构

模块化是将操作系统功能划分为若干具有一定独立性的模块，每个模块负责某一方面的管理功能，并规定模块之间的接口，使模块能通过接口通信。

例如：操作系统可划分为 进程管理模块、存储器管理模块、文件管理模块 等；每个模块内部还可进一步划分为若干子模块，如进程控制、进程调度、内存分配、内存保护、磁盘管理、目录管理等。

• 优点：模块独立性强，便于理解和维护；可单独开发、测试和替换模块；接口清晰，有利于多人协作开发。
• 缺点：模块之间可能存在复杂依赖；若接口设计不当，会影响系统效率；模块划分的粒度会直接影响系统结构的清晰度。

这种设计方法称为 模块-接口法，由模块、子模块和模块之间的接口共同组成模块化操作系统结构。

3. 宏内核（大内核）

宏内核将操作系统的主要功能模块都集成在内核中，运行在核心态。

• 优点：性能高，模块间通信直接；功能完整，适合对效率要求较高的系统。
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护；一个模块出错可能影响整个内核。

典型操作系统：$Linux$、$UNIX$

4. 微内核

微内核只把最基本的功能保留在内核中，如进程通信、内存管理、中断处理等，其他服务以用户态进程方式运行。

• 优点：内核小，结构清晰；可靠性高，用户态服务出错不易影响整个系统；便于扩展和维护。
• 缺点：需要频繁在核心态和用户态之间切换，性能较低；用户态服务之间通信成本较高。

典型操作系统：$Windows\ NT$

5. 外核（$exokernel$）

外核是一种更极端的内核结构，内核只负责保护和复用硬件资源，而资源管理策略更多地由用户级软件完成。

• 优点：减少了内核资源管理的负担，提高了系统的灵活性和并行度。
• 缺点：降低了系统的一致性，部分管理工作需要上层软件承担。

体系结构对比总结

1.1.5操作系统引导

说明：这是传统 $BIOS$ + $MBR$ 磁盘的开机引导流程（不是 $UEFI$）

整体流程梳理

1. ① $CPU$ 上电，执行 $ROM$（$BIOS$）里的引导程序
   计算机通电后，$CPU$ 直接从固定的主存地址取指令，运行固化在 $ROM$ 中的 $BIOS$ 程序。
   $BIOS$ 首先执行硬件自检 $POST$，检测 $CPU$、内存、硬盘等基础硬件是否正常；自检通过后，$BIOS$ 会按照启动顺序寻找可引导磁盘。

2. ② $BIOS$ 读取磁盘的主引导记录 $MBR$，载入 $RAM$ 执行
   $BIOS$ 找到启动硬盘，读取磁盘第 $0$ 扇区（第一块），也就是**$MBR$ 主引导记录**，加载到内存。
   $MBR$ 包含两部分：磁盘引导程序 + 分区表。
   执行 $MBR$ 引导程序，扫描分区表，标记出活动分区（主分区，装系统的分区，如图里 $C$ 盘）。

3. ③ 读取活动分区内的分区引导记录 $PBR$，载入 $RAM$ 执行
   $MBR$ 的引导程序定位到活动分区，读取该分区第一个扇区——$PBR$ 分区引导记录，调入内存运行。
   $PBR$ 的任务：在当前分区的文件系统里，找到操作系统的启动管理器。

4. ④ $PBR$ 找到启动管理器，加载完整 $OS$ 内核，完成开机
   $PBR$ 在分区的根目录中定位到系统启动管理器，把它读入内存并执行；
   启动管理器再进一步加载操作系统内核、初始化系统，最终进入操作系统。

关键名词区分（考试常考）

补充要点

1. $MBR$ 是整个硬盘的第一扇区，不属于 $C$/$D$/$E$ 任何一个分区；$PBR$ 属于单个分区。
2. 只有**标记为活动（可引导）**的分区，它里面的 $PBR$ 才会被执行，一般操作系统就安装在活动分区。
3. 这套是老式 $BIOS$ 启动；现在新电脑多用 $UEFI$+$GPT$，流程不一样，不要混淆。
   

1.1.6虚拟机与 $VMM$（虚拟机管理程序）

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（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 / $Hypervisor$

$VMM$ 全称 Virtual Machine Monitor，中文叫虚拟机管理程序（虚拟机监控程序、$Hypervisor$），分为第一类 $VMM$ 和第二类 $VMM$。

1. 第一类 $VMM$

直接运行在硬件之上，没有宿主操作系统。

• 位置：硬件之上，直接接管硬件资源，运行在最高特权级（$Ring\ 0$），可以执行最高特权的指令。
• 实例：$VMware\ ESXi$、$Xen$、$KVM$（裸金属部署场景）

2. 第二类 $VMM$

运行在**宿主操作系统（$Host\ OS$）**之上，属于宿主操作系统上的软件。

• 位置：依赖 $Host\ OS$ 获取硬件资源；部分运行在用户态、部分运行在内核态。客户操作系统（$Guest\ OS$）发出的系统调用会被 $VMM$ 截获，并转化为 $VMM$ 对 $Host\ OS$ 的系统调用。
• 实例：$VMware\ Workstation$、VirtualBox

两类虚拟机管理程序（$VMM$）的对比

• $Host\ OS$：宿主操作系统，物理机上原本安装的操作系统（第二类虚拟化才有）
• $Guest\ OS$：客户操作系统，跑在虚拟机内部的操作系统
• $VMM$ / $Hypervisor$：虚拟机管理程序，负责隔离、调度各个虚拟机，分配硬件资源