王道考研-操作系统b站学习第一章
参考链接：https://www.bilibili.com/video/BV1YE411D7nH?p=2&vd_source=48441c971575b39d0ac4284cbb7b0528
1.1-1操作系统概念 、功能、目标
操作系统概念：
1.负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
2.为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
3.操作系统是系统软件，而不是硬件
定义：是指控制和管理整个计算机系统的软件和硬件资源，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。
补充知识：
进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被cpu处理。
用qq和朋友视频聊天过程：
step1：在各个文件夹中找到qq安装位置（逐层打开文件夹，找到QQ.exe这个程序的存放位置）
step2：双击打开QQ.exe（需要把该程序相关数据放入到内存）
step3：QQ程序正常运行（对应的进程被处理机（CPU）处理）
step4：开始和朋友视频正常聊天（需要将摄像头设备分配给进程）
作为用户和计算机硬件之间的接口
命令接口：允许用户直接使用
程序接口：允许用户通过程序间接使用
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口
提示：系统调用=系统调用命令=广义指令
- 联机命令接口实例（Windows系统）联机命令接口=交互式命令接口
step1：win+R
step2：输入cmd，按回车，打开命令解释器
step3:尝试使用time指令
输入一条指令，系统执行一条指令。
- 脱机命令接口实例（Windows系统） 脱机命令接口=批处理命令接口
使用windows系统的搜索功能，搜索C盘中的*.bat文件，用记事本任意打开一个
- 程序接口：如C:\Windows\System32\user32.dll程序员在程序中调用user32.dll（该调用过程即为系统调用）即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。
GUI：图形用户界面
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。
例子：在Windows操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。
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1.1-2操作系统的特征-并发、并行、共享、虚拟、异步
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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，但微观是交替发生的。
常考易混概念–并行：指两个或多个事件发生在同一时刻同时发生。
并行VS并发
eg：假设小渣和老渣每人有两个女朋友。任务1：和一号约会；任务2：和二号约会…
并发特征
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但是宏观上是同时执行的）事实上，操作系统就是伴随着“多动道程序技术”而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。
当今计算机，一般都是多个CPU，比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU，这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行，但是操作系统的并发性依然是必不可少的，当代人使用计算机绝对有4个以上的程序需要同时工作。
共享特征
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柯访问的（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。
并发和共享的关系：（互为）
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，如果程序失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性时区存在的意义）
2.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诺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。
举例1：
背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行
GTA5游戏需要4GB的运行内存，QQ需要256MB的内存，迅雷需要256MB的内存，网易云音乐需要256MB的内存…
我的电脑：4GB内存
问题：这些程序同时运行需要的内存远大于4GB,那么为什么它们还可以在我电脑上同时运行呢？
答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存，在用户看来狮虎远远大于4GB，使用的是虚拟技术中的“空分复用技术”
举例2：某单核CPU的计算机中，用户打开了QQ、微信、王者、抖音、csdn、QQ音乐等6个软件
问题：既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行，那么为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢？
答：这是虚拟处理器技术。实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有6个CPU在同时为自己服务
。虚拟技术中的“时分扶复用技术”。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。
异步
在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但是由于资源有限，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。
示例：老渣要和两个女孩并发约会
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
约会的情况如下：
与一号、二号指令约会相当于对两个进程的处理，每个进程都有各自需要执行的指令。
老渣的心相当于有限的系统资源。由于可分配的资源有限，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。
显然，如果失去了并发行，则系统只能串行的处理各个进程，每个进程的执行都会一贯执行到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
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1.1-3OS的发展和分类
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重点理解各阶段的优点和缺点。各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点。
手工操作阶段
人工操作和纸带的输入输出更不上电脑的速度，导致电脑的CPU处于空闲状态。
缺点：用户独占全机、人机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（用磁带完成，比纸带快很多，CPU空闲时间减少），并监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入和输出。
主要优点：缓解了一定程度上的人机速度矛盾，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。资源利用率依旧很低。
批处理阶段-多道批处理系统
程序员可以每次往内存中输入多道程序，操作系统正式诞生，并且引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。
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和其它资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
主要缺点：用户相应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业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）
图示比较，为何多道处理系统能大幅提升资源利用率？
假设计算机需要处理三个作业
作业一：输入1秒，计算1秒，输出1秒
作业二：输入1秒，计算1秒，输出1秒
作业三：输入1秒，计算1秒，输出1秒
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，不区分任务地紧急性。
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。
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1.1-4操作系统的运行机制和体系结构
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什么是指令？
简单来说，“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令
比如：加法指令就是让CPU进行加法算法
小结：
思考：操作系统中的那些功能应该由内核程序实现呢？
总结：内核时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。
我们可以将操作系统的体系结构分为大内核和微内核。
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。
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1.1-5中断和异常
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概述：早期计算机运行程序只能串行工作，这会导致资源利用率极低。为了解决这个问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入了中断机制，实现了多道程序并发执行
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
多个程序并发执行，进程一在用户态运行，然后可能受到CPU计时部件发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。把操作权限交给操作系统，操作系统的内核对中断信号处理，操作系统发现时间片用完，换进程二运行，操作系统开展一系列工作，之后会交换给用户进程。
进程二执行一段时间后，可能发出系统调用（内中断信号），请求输出。CPU切换为核心态，对中断进行处理。
输入输出指令是属于特权指令，不允许用户进程直接使用，普通应用程序，只能通过系统调用方式，内中断方式，来主动要求操作系统进入工作，待其完成相关工作。之后，操作系统按照进程二的请求，要求打印机开始工作，进程二要等待I/O进行完，会等待I/O完成。一系列完成后操作系统会将权限交还给用户进程，进程三开始工作，并且输出设备在操作系统要求下并行工作，当工作结束后会向CPU发出I/O完成信号。CPU收到I/O设备发来的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。操作系统的内核会对中断信号进行处理。进程二的i/o操作完成后，让进程二恢复运行，以完成后续工作，接着把CPU操作权限交还给用户态。进程二重新投入运行。
通过以上分析，发现以下特点：
1.当终端发生时，CPU立即进入核心态。
2.当中断发生时，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3.对于不同的中断信号，会进行不同的处理。
发生了中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、范培I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。
中断的分类
另一种分类：
外中断处理过程：
step1:执行每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
step2:如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
step3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
step4：恢复原进程的CPU环境并推出中断，返回进程继续往下执行
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1.1-6系统调用
什么是系统调用，有何作用？
知识点回顾：
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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
问题：操作系统为什么要提供“系统调用”功能？
生活场景：你去学校打印店打论文，当你按下“打印”之后，打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另外一位同学也按下“打印”按钮开始打印他自己的论文。
最终，你的论文和该同学的论文页面并没有混杂在一起，都是按顺序依次打印的。
思考：如果各个进程可以随意打印，会发生什么情况？
你的论文打印到一半时，另外一个同学按下了“打印”按钮开始打印他自己的论文，结果，你的后半部分论文与该同学混杂在一起。。。。
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各个共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源相关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。
系统调用与库函数区别
系统调用的背后
知识回顾
让我们一起提前预习，一起学习。
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