操作系统的概念、功能
概念
系统资源的管理者：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
向上层提供简便易用的服务：提供给用户和其他软件方便的接口和环境
最接近硬件的一层软件：是计算机系统中最基本的系统软件
功能
系统资源的管理者
执行一个程序之前需要将该程序放到内存中才能被CPU处理
向上层提供简便易用的服务
封装思想：操作系统把硬件封装成简便易用的服务，使得用户无需关心底层硬件的原理， 只需要对操作系统发出指令即可使用计算机
GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface） ，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。
联机命令接口：交互式命令接口，用户说一句， 系统跟着做一句
脱机命令接口：批处理命令接口，用户说一堆， 系统跟着做一堆
程序接口：可以在程序中进行系统调用使用程序接口，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，比如：
最接近硬件的一层软件：
操作系统对硬件机器的扩展：将CPU、内存、硬盘等硬件合理的组织起来，让各种硬件能 够相互配合，实现更多复杂的功能
小结
操作系统的特征
并发
指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，在微观上是交替发生的
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。 操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的
注意：
- 与并行区分，并行指的是多个事件在同一时刻同时发生
- 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行
- 多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行执行
共享
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。
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）
生活实例
互斥共享方式：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。
同时共享方式：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
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
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。
实例
使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。
- 两个进程正在并发执行（并发性），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
- 需要共享地访问硬盘资源（共享性），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
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。
虚拟存储器技术：用户只有4G运行内存，但可以运行总内存大于4G的多个软件
虚拟处理器技术：单核CPU可以同时运行多个程序 (微观上交替)
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性
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。
- 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。
小结
操作系统的发展与分类
手工操作阶段
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
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
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
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
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
其他几种操作系统
- 网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，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。（如：Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）
- 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、协同完成这个任务。
- 个人计算机操作系统：如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。
小结
操作系统的运行机制、体系结构
指令：指的是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令
内核：内核是计算机上的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。实现内核功能的程序是内核程序
注意：
操作系统内核需要运行在内核态
操作系统的非内核功能运行在用户态
中断和异常
- 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，“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
- “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
- 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
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。
系统调用
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
- 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、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。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
- 传递系统调用参数—>执行陷入指令（用户态）—>执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）—>返回应用程序
- 注意
- 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
- 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
