# 操作系统的定义

实际上操作系统没有普遍接受的定义

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。

# 操作系统的功能和目标

# 作为系统资源的管理者

# 提供的功能

• 处理机管理

• 存储器管理

• 文件管理

• 设备管理

# 目标

安全、高效

# 向上层提供方便易用的服务

# GUI

(Graphical User Interface) 图形化用户接口

# CLI

(Command Line Interface) 命令行接口

• 联机命令接口 = 交互式命令接口
• 脱机命令接口 = 批处理命令接口

# 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。

软件和程序员才能使用程序接口

# 作为最接近硬件的层次

目标：实现对硬件机器的拓展

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、使用更方便的机器

通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之虚拟机

# 操作系统的特征

# 并发

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

操作系统的并发性：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（重要考点）：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

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。

# 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

# 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）

# 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。

# 空分复用技术

如虚拟存储器技术

# 时分复用技术

如虚拟处理器

# 异步

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。

# 操作系统的发展和分类

# 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

# 批处理阶段

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，通过外围机把程序提前存到磁带里

目标是追求吞吐量，提高资源利用率。

# 脱机

在主机以外的设备上进行输入 / 输出操作，需要时再送主机处理。

# 批处理 bash

后端运行的作业，开始运行之后就不再需要任何交互。由于无法交互控制程序，所以还不算真正意义上的操作系统。

# 单道批处理系统

也叫简单批处理系统。已经出现操作系统的一些特征：

• 用户态、内核态（monitor）
• 时钟

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 1/0 完成。资源利用率依然很低。

没有人机交互功能。

# 多道程序设计

多道程序的运行环境比单道程序等更加复杂。

特点：

• 多道 —— 计算机内存中同时存放多道相互独立的程序
• 宏观上并行
• 微观上串行
• 非封闭、非顺序 —— 引入多道程序后，程序的执行就失去了封闭性和顺序性
• 相互制约 —— 程序执行因为共享资源以及相互协同的原因相互制约
• 断续性 —— 考虑到竞争的公平性，程序的执行是断续的

多道程序设计的实现需要解决如下问题：

• 处理机的分配
• 多道程序的内存分配
• I/O 设备的分配
• 如何组织和存放大量的程序和数据，以方便用户使用并保证一致性和安全性
  • 一定需要实现虚拟存储吗？—— 不一定，早期多道批处理操作系统将所有进程数据全部调入主存

这些问题的处理也会增加系统开销。

多道程序设计开始引入中断，目的是使 CPU 和 I/O 设备并行运行，提高资源利用率。

# 多道批处理系统（操作系统开始出现）

在批处理系统中采用多道程序设计就形成了多道批处理系统。

每次往内存中读入多道程序，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，仍然没有人机交互功能（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

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。

目标是追求时延（latency）

主要特征：

• 同时性、也叫多路性
• 交互性
• 独立性
• 及时性

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

# 硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理

eg: 导弹控制系统、自动驾驶系统

# 软实时系统

能接受偶尔违反时间规定

如：12306 火车订票系统

# 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

eg: windows、macos

# 操作系统服务

• 资源分配
• 记账
• 日志服务

# 内核

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

甚至可以説，一个操作系統只要有内核就够了（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

由很多内核程序组成了 “操作系统内核”，或简称 “内核、（Kernel）”

# 内核程序 —— 运行在内核态

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”。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

普通程序员写的程序就是 “应用程序”，应用程序只能使用 “非特权指令”，如：加法指令、减法指令等

# 内核态 —— 运行内核程序

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

# 内核态和用户态的切换 (变态)

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

# 内核态 -> 用户态

执行一条特权指令一一修改 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。除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，旦凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

# 系统调用

不涉及系统调用的库函数.eg

• “取绝对值” 的函数

涉及系统调用的库函数.eg

• “创建一个新文件” 的函数

# 按功能分类

• 设备管理 —— 完成设备的 请求 / 释放 / 启动 等功能
• 文件管理 —— 完成文件的 读 / 写 / 创建 / 删除 等功能
• 进程控制 —— 完成进程的 创建 / 撒销 / 阻塞 / 唤醒 等功能
• 进程通信 —— 完成进程之间的 消息传递 / 信号传递 等功能
• 内存管理 —— 完成内存的 分配 / 回收 等功能

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、1/0 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。

# 系统调用过程

1. 传递系统调用参数
   • 寄存器传递参数
   • 内存中存储在块或表中的参数，以及作为参数在寄存器中传递的块地址
     • linux 和 solaris 采用这种方式
   • 由程序放置或推送到堆栈上并由操作系统弹出堆栈到参数

2. 执行陷入指令（用户态）
3. 执行相应的内请求核程序处理系统调用（内核态）
4. 返回应用程序

# 计算计组成原理相关基础概念

# 中断和异常

参考这个

（广义上的中断包括）Interrupt Handlers used in all 3 scenarios :

• HW -> CPU -> Kernel: Classic HW Interrupt (狭义上的中断)
• User -> Kernel: SW Interrupt
• CPU -> Kernel: Exception

# 其他类型 (非狭义) 中断

• SW Interrupt
  • Interrupts caused by the execution of a software instruction: INT<interrupt_number>
  • Used by the system call interrupt()
  • Initiated by the running (user level) process
  • Cause current processing to be interrupted and transfers control to the corresponding interrupt handler in the kernel
• Exceptions
  • Initiated by processor hardware itself
  • Example: divide by zero
  • Cause a transfer of control to the kernel to handle the exception (like a software interrupt)

# Linux 系统的中断

• 在中断处理中做尽量少的事
• 推迟非关键行为

结构：

• Top half ：马上做，找到 handler

  • 最小的、公共行为

    • 保存寄存器、屏蔽其他中断
    • 恢复寄存器，返回原来场景

    最重要：调用合适的由硬件驱动提供的中断处理 handler

    因为中断被屏蔽，所以不要做太多事情 (时间、空间)

    使用将请求放入队列，或者设置标志位将其他处理推迟到 bottom half

    现代处理器中，多个 I/O 设备共享一个 IRQ 和中断向量 v 多个 ISR (interrupt service routines) 可以结合在一个向量上
    调用每个设备对应该 IRQ 的 ISR

• Bottom half : 推迟处理 (softirq, tasklets, 工作队列，内核线程)

  • 提供一些推迟完成任务的机制

  • softirqs

  • tasklets (建立在 softirqs 之上)

  • 工作队列

  • 内核线程

  这些工作可以被中断

中断处理的一些约束条件：

• 不能睡眠
  • 或者调用可能会睡眠的任务
• 不能调用 schedule () 调度
• 不能释放信号或调用可能睡眠的操作
• 不能和用户地址空间交换数据

# 中断向量表

每一个处理器有一个中断向量表，由操作系统内核建立，指向处理不同时间的中断处理程序入口

结构：

# 需要中断的场景举例

Hardware devices may need asynchronous and immediate service. For example:

• Timer interrupt: Timers and time-dependent activities need to be updated with the passage of time at precise intervals
• Network interrupt: The network card interrupts the CPU when data arrives from the network
• I/O device interrupt: I/O devices (such as mouse and keyboard) issue hardware interrupts when they have input (e.g., a new character or mouse click)

# 多核系统上的中断

Howareinterruptshandledonmulticoremachines?

• On x86 systems each CPU gets its own local Advanced Programmable Interrupt Controller (APIC). They are wired in a way that allows routing device interrupts to any selected local APIC.
• The OS can program the APICs to determine which interrupts get routed to which CPUs.
• The default (unless OS states otherwise) is to route all interrupts to processor 0

# 陷入指令

执行 “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

# I/O (输入输出系统)

# BUS (总线)

# 并行系统

# 多核处理器

# 多处理器系统

又称并行系统、紧耦合系统

# 三个优点一个缺点？？？

老师出的作业题😅难道本来是想问多道批处理系统？而且那个也是单处理器系统啊）

• 增加吞吐量，并行处理？
• 规模经济，降低成本，比多核处理器便宜？
• 增加可靠性？
• ？？？

# 非对称多处理器系统 (AMP)

非对称多处理是指一种计算机结构，其中有多个处理器，但它们并不都是一样的。这意味着，一个 CPU 可能正在处理操作系统代码，而另一个 CPU 正在执行输入和输出工作。它使用两个或更多的处理器由一个主处理器处理。所有的 CPU 都是相互连接的，但不是自我调度的。它用于根据任务的优先级和重要性将特定任务安排到一个 CPU。

# 对称多处理器系统 (SMP)

SMP（Sysmmetric Multi-Processor System，对称多处理器），它由多个具有对称关系的处理器组成。所谓对称，即处理器之间没有主从之分。SMP 架构使得一台计算机不再由单个 CPU 组成，而是由两个或更多的处理器连接到一个共享的主存储器上，并能够共同执行任务。这些处理器通常是相同的，能够运行分配给它们的任何任务。这可以提高性能，因为任务可以在处理器之间分配，使其更快完成。

对称多处理将多个 CPU 应用于一个任务，以并行和更快的方式完成。因此，在对称多处理系统中，两个或更多的 CPU 被连接到一个共享的主存储器。同时，所有这些 CPU 都可以完全访问输入和输出设备。在对称多处理系统中，操作系统认为所有的处理器都是平等的。

SMP 是一个紧密耦合的多处理器系统，它有一组独立运行的相同的 CPU。每个 CPU 处理不同的程序，执行不同的数据集。对称多处理系统共享公共资源，如输入设备、输出设备、内存等。

# 问题

所有处理器相同，没有考虑不同任务要求处理器的差异性

# 多处理器环境的 3 种内存共享模型

# UMA

UMA（Uniform Memory Access，一致性存储器访问)，实际上就是 SMP 。其中，一致性指的就是在任意时刻，多个处理器只能为内存的每个数据保存或共享一个唯一的数值。它的结构特征就是多处理器共享一个集中式存储器，每个处理器访问存储器所需的时间一致，工作负载能够均匀的分配到所有可用处理器上，极大地提高了整个系统的数据处理能力。但是，如果多个处理器同时请求访问共享资源时，就会引发资源竞争，需要软硬件实现加锁机制来解决这个问题。

因此，这样的架构设计无法拥有良好的处理器数量扩展性，因为共享内存的资源竞态总是存在的，处理器利用率最好的情况只能停留在 2 到 4 颗。

# NUMA

NUMA（Non-Uniform Memory Access，非一致性存储器访问）架构优化了 SMP 架构扩展性差以及存储器带宽窄的问题。采用了分布式存储器，将处理器和存储器划分为不同的节点（NUMA Node），每个节点都包含了若干的处理器与内存资源。多节点的设计有效提高了存储器的带宽和处理器的扩展性。

另一方面，NUMA 节点的处理器可以访问到整体存储器。按照节点内外，内存被分为：

• 节点内部的本地内存
• 节点外部的远程内存

当处理器访问本地内存时，走的是内部总线，当处理器访问远程内存时，走的是主板上的 QPI 互联模块。访问前者的速度要远快于后者，NUMA（非一致性存储器访问）因此而得名。

# 问题

各个处理器访问自己的内存速度很快，但如果出现需要跨处理器访存，即访问另一处理器的内存时会非常缓慢

# COMA

Cache-only Memory Access (COMA) 是 ccNUMA (Cache Coherent NUMA, 缓存一致性 NUMA) 的一种演变。COMA 可以看成是专用的 NUMA，将 NUMA 中的分布式内存用高速缓存来取代。全局地址空间由高速缓存组成。访问远端的高速缓存借助分布式高速缓存目录进行。

# 集群系统

类似多处理系统，集群系统时多个机器，每台机器有自己的操作系统，并行工作。

• Usually sharing storage via a storage-area network (SAN)

• Provides a high-availability service which survives failures

  • Asymmetric clustering has one machine in hot-standby mode
  • Symmetric clustering has multiple nodes running applications, monitoring each other

• Some clusters are for high-performance computing (HPC)

  • Applications must be written to use parallelization

• Some have distributed lock manager (DLM) to avoid conflicting operations

# 操作系统的结构

不同结构操作系统举例：

• 大内核 / 宏内核 / 单内核： Windows、Android、iOS、UNIX、Linux、MacOS
• 微内核：Windows NT、Mach、Fuchsia、鸿蒙
• 模块化：Solaris

# 非内核功能（如 GUI）

操作系统的非内核功能运行在用户态

# (大) 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。

操作系统内核需要运行在内核态

# 对系统资源进行管理的功能

大内核结构中运行在内核态，所以大内核结构操作系统变态不那么频繁

微内核结构中运行在用户态，所以微内核结构操作系统变态更加频繁

# 进程管理

# 存储器管理

# 设备管理等功能

# (微内核)

# 时钟管理

实现计时功能

# 中断处理

负责实现中断机制

# 原语（设备驱动、CPU 切换等）

是一种特殊的程序，具有如下特点：

• 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 —— 其运行只能一气呵成，不可中断
• 运行时间较短、调用频繁

# 操作系统的引导

操作系统引导过程

1. CPU 从一个特定主存地址开始，取指令，执行 ROM 中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
2. 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
3. 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
4. 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成 “开机” 的一系列动作
   1. 加载内核
      • BIOS
      • UEFI，逐渐取代 BIOS，加载更简洁
      • GRUB，更加复杂，可以选择加载不同的内核
   2. 启动系统守护进程（在内核之外提供的服务）
   3. 启动内核中断驱动（硬件和软件）
      1. 启动设备的硬件中断
      2. 启动软件中断（异常或陷阱）
         • 软件错误（例如，除零）
         • 操作系统服务请求 - 系统调用
         • 故障处理：其他进程问题包括无限循环、进程相互修改，甚至修改操作系统；

不同体系结构下，不同 OS 启动也有不同：

x86 需要兼顾 “历史包袱”，需要兼容 32 位

ARM

# 双 / 多 模式操作

# 双模式操作

即经典的内核态、用户态两个模式

# 多重模式操作

两模式扩展到多模式，典型场景是虚拟化；

支持虚拟化技术的 CPU 有一种单独模式，用于表示虚拟机管理器 VMM；

这种模式的特权多于用户，但少于内核；

# 虚拟机

虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化多台虚拟机器（Virtual Machine, VM），每个虚拟机器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

当源 CPU 类型不同于目标类型（例如 PowerPC 到 Intel x86）时使用仿真

当计算机语言未编译本机代码时进行解释

# 第一类 VMM

直接运行在硬件上

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一种基于硬件虚拟化扩展的完全虚拟化技术。使用 KVM，虚拟机可以在真实硬件上运行，并获得对硬件的直接访问。每个 KVM 虚拟机都被视为一个独立的虚拟计算机，具有自己的虚拟硬件，包括虚拟的 CPU、内存、磁盘和网络接口等。

WSL（Windows Subsystem for Linux）是一项由 Microsoft 开发的技术，旨在在 Windows 操作系统上运行本地的 Linux 环境。WSL 提供了一个兼容层，允许在 Windows 上运行原生的 Linux 二进制文件（如命令行工具、实用程序和应用程序）。在 WSL 中，并没有采用传统的虚拟化技术来创建完全虚拟化的虚拟机。相反，WSL 利用 Windows 操作系统的内核功能，通过在用户模式和内核模式之间进行转换，提供了对 Linux 系统调用的兼容支持。

# 第二类 VMM

运行在宿主操作系统上

LXC（Linux Containers）是一种操作系统级虚拟化技术，也被称为容器化。使用 LXC，虚拟机实际上是在宿主机的操作系统内运行的，共享宿主机的内核。这些虚拟机被称为容器，它们与宿主机共享相同的内核和一些系统资源。相比于 KVM，LXC 提供了更轻量级的虚拟化解决方案，更适合运行基于 Linux 的应用程序。

VMware：完全虚拟化

VirtualBox：“半虚拟化”

# 两类 VMM 的对比