异步
概念: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，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
例子:一号的指令1：老渣陪我吃饭，一号的指令2：老渣把心给我；二号的指令1：老渣把心给我，二号的指令2：老渣陪我吃饭；
与一、二号的约会 = 两道并发执行的程序
老渣的心 = 有限的系统资源
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，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
上面介绍了操作系统的四个特征，并发，共享，虚拟，异步。
并发和共享互为存在条件
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征
发展与分类
手工操作阶段
程序员把程序写到纸带上，有孔的地方代表二进制的1，没有孔的地方代表二进制的0，然后把写好的程序放到纸带机上，由计算机读取计算，把结果再写到纸带机上打印出，最后由程序员读取。
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。
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。
这里体现出了操作系统的雏形。
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之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。
多道批处理系统
每次往内存中读入多道程序，这时候操作系统正式诞生，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之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。eg ：无法调试程序 / 无法在程序运行过程中输入一些参数）
分时操作系统
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：用户请求可以被即时响应，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。
主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。
实时操作系统
实时操作系统：
主要优点：能够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，计算机系统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。
运行机制
在开始之前，我问下大家，程序是如何运行的?
C语言代码通过编译器"翻译"成机器指令也就是二进制，一条高级语言的代码翻译过来可能对应多条机器指令，如下所示:
程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条机器指令的过程。
"指令"就是处理器(CPU)能识别，执行的最基本命令
注意:很多人习惯把Linux，Windows，MacOS的"小黑框"中使用的命令也称为"指令"，其实这是"交互式命令接口",注意与本文的"指令"区别开。
内核程序VS应用程序
我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”
由很多内核程序组成了“ 操作系统内核 ”，或简称“ 内核（ Kernel ） ” 内核 是操作系统最重要最核心的部分，也是 最接近硬件的部分 甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了（eg ： Docker—> 仅需 Linux 内核）操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI。
特权指令VS非特权指令
应用程序只能使用"非特权指令",如:加法指令，减法指令等等。
内核程序作为"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读初其类型。
内核态VS用户态
CPU能判断出指令类型，但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序or应用程序?
CPU 有两种状态，“内核态”和“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， 此时 只能执行非特权指令
拓展： CPU 中有一个寄存器叫 程序状态字寄存器（ PSW ） ，其中有个二进制位， 1 表示 “内核态”，0 表示“用户态”
别名 ：内核态 = 核心态 = 管态 ；用户态 = 目态
内核态和用户态的切换
内核态-> 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-> 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
举个例子:
1.刚开机时，CPU 为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行
2.开机完成后，用户可以启动某个应用程序
3.操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上CPU运行
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"
4.应用程序运行在“用户态"
5.此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统…
6.CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”
7.这个非法事件会引发一个中断信号
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。
8.“中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权
9.操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序
操作系统内核
内核是计算机上配置的底层软件，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。
大内核:将操作系统的主要功能都作为系统内核，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:需要频繁在核心态和用户态之间切换，性能低。
类比：
操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。
内核 就是企业的 管理层 ，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行 特权指令 ，普通员工只能
执行 非特权指令 。 用户态 、 核心态 之间的 切换 相当于普通员工和管理层之间的 工作交接
大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织
结构混乱，难以维护。
微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作。优点是组织结构清晰，方
便维护；缺点是效率低。
中断和异常
中断的作用
“中断"会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。
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（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，那么一旦应用程序上 CPU 运行， CPU 就会一直运行这个应用程序
既然如此，如果没有中断技术，那何来的"并发"?
内核态-> 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-> 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
中断的类型
内中断(异常，例外)
与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。
例子1:试图在用户态下执行特权指令
例子2:执行除法指令时发现除数为0
若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。
例子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，该指令会引发一个内部中断信号
指令"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(中断)
与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。
每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号
例子 1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号
通过这个就可以实现两个进程并发运行。
总结:
中断机制的基本原理
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。
总结:
