1 操作系统的概念与功能

我们先来看一下电脑是如何诞生的吧：

厂商会把CPU、内存等硬件组装成一台裸机；

而在裸机出售前，一般厂商都会安装一个操作系统；

我们购买电脑后，可以在操作系统上安装应用程序（软件）；

作为用户的我们，可以使用这些应用程序。

于是我们得到计算机系统的层次结构如下：

王道书上给出的操作系统的定义如下：

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，它是计算机最基本的系统软件。

说明：

操作系统作为软件和硬件中的一个层次，是系统资源的管理者；

操作系统需要向上层（应用程序和用户）提供方便易用的服务；

操作系统是最接近硬件的一种的软件。

操作系统的功能和目标–作为系统资源的管理者

有如下功能：

处理机管理

存储器管理

文件管理

设备管理

操作系统的功能和目标–向上层提供方便易用的服务

操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能够更加方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只要对操作系统发出命令即可。具体见下图：

操作系统使用举例：

直接给用户使用的

GUI：很多操作系统提供了图形化用户接口，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不需要记忆复杂的命令；

联机命令接口：又叫交互式命令接口，用户需要在命令行与计算机系统进行交互，用户说一句，系统跟着做一句，比如win系统我们常常使用的cmd；

脱机命令接口：又叫批处理命令接口，如win系统的搜索功能，搜索某个盘的某个文件。用户说一堆，系统跟着做一堆。

给软件/程序员使用的

程序接口：用户通过程序间接使用，或者通过代码，例如"hello,world"程序中调用的printf函数，底层就是调用了系统提供的服务，使得字符在显示屏上打印。

操作系统的功能和目标–作为最接近硬件的层次

需要实现对硬件机器的扩展。 没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、更方便的机器。

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机。

操作系统对硬件的扩展主要体现在：将CPU、内存、磁盘、显示器等硬件合理组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

2 操作系统的特征

并发： 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，但是在微观上是交替发生的。

并行： 指两个或多个事件同一时刻同时发生。（易混淆）

考点

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。

共享： 即资源共享，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。

而共享有两种资源共享方式：

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，例如：使用QQ和微信视频，同一时间段只能将摄像头分配给其中一个进程；

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，例如：同时使用QQ和微信发送文件，宏观上，两边都是在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，微观上看，两个进程交替着访问硬盘。

为什么说并发性与共享性互为存在条件？该如何理解？

答：以QQ微信同时发送文件为例，两个进程正在并发执行，需要共享地访问硬盘资源。如果失去了并发性，则系统只有一个程序正在运行，那么共享性就失去了存在的意义。如果失去共享性，则QQ微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，无法实现并发。

虚拟： 指把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，而逻辑对应物是用户感受到的。

如何理解呢？ 我们知道，一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。而一个GTA5游戏需要4G运行内存，QQ需要256MB的内存，微信也要256MB内存，而假设电脑只有4GB内存，而这些程序运行需要的内存远远大于4GB，为什么可以同时运行呢？

答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB内存，但是在用户看来似乎远远大于4GB。

异步： 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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性！

3 操作系统的发展与分类

手工操作阶段

手工操作阶段计算过程如下图，可见有明显缺点： 用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率基地！！！

批处理阶段：单/多道批处理系统

单道批处理： 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。缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有一定提升。 但是依然存在明显缺点： 内存中仅能有一道程序运行， 只有该程序运行结束后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在等待I/O完成，资源利用率仍然低。

为了解决上述问题，采用了多道批处理系统： 每次往内存中读入多道程序，多道程序可以并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升， CPU和其他资源能保持忙碌状态，系统吞吐量增大。

但是无论是单道还是多道批处理，都没有实现人机交互，用户是无法调试程序的， 为了解决该问题，就有了分时操作系统。

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， 各个用户可以通过终端与计算机进行交互。

主要优点： 用户的请求可以被及时响应，解决了人机交互的问题。 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。 不区分任务的紧急性。于是就有了实时操作系统。

实时操作系统

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。

主要优点： 能够优先响应紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

网络操作系统

是伴随着计算机网络发展诞生的，能把网络中各个计算机有机结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。

分布式操作系统

主要特点是 分布性和并行性。 系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成任务。

个人计算机操作系统：

如Window XP、MacOS等，方便个人使用。

4 操作系统的运行机制

4.1 特权指令与非特权指令

这里需要与cmd等命令行的指令进行区分。这里的指令指的是CPU能够看得懂的机器指令（一串二进制序列）

在CPU设计和生产时候，就划分了特权指令和非特权指令，即CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

对于应用程序，只能使用“非特权指令”，例如加法指令，减法指令等。

而对于内核程序，操作系统内核作为“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。