第1章 计算机系统概述

1.1 操作系统的基本概念

操作系统的概念、功能.pdf

1.1.1 操作系统的概念

什么是操作系统？

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，<!—操作系统是系

统资源的管理者—>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。

1.1.3 操作系统的目标和功能

操作系统要做些什么？

作为计算机系统资源的管理者

• 处理机管理

• 存储器管理

• 文件管理

• 设备管理

向上层提供方便易用的服务

封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可

直接给用户使用的

• GUI图形化用户接口(Graphical User Interface)

• 命令接口

  • 联机命令接口（交互式命令接口）用户说一句，系统做一句

  • 脱机命令接口（批处理命令接口）用户说一堆，系统做一堆

给软件/程序员使用的

• 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。

作为最接近硬件的层次

需要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，又称之为虚拟机

1.1.2 操作系统的特征

操作系统的特征.pdf

并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件

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

• 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

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：

• 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。如：QQ和微信无法同时使用摄像头

• 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”

并发和共享的联系

• 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

• 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。

• 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

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。

1.2 操作系统的发展历程

重点关注和理解各类操作系统主要想解决的是什么问题，各自的优缺点。

操作系统的发展与分类.pdf

1.2.1 手工操作阶段

手工装纸带→从纸带机读→计算→向纸带机写→手工取纸带

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

1.2.2 批处理阶段

单道批处理系统

将程序读到磁带上，磁带上的一批作业可以自动地逐个运行

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

为了提高利用率，每次往内存中读入多道程序，并允许它们在CPU中交替运行，共享资源

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）

1.2.3 分时操作系统

为了实现人机交互功能，比较快速响应用户

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。

1.2.4 实时操作系统

为了让计算机优先处理紧急任务

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，如：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

1.2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

• 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。

1.3 操作系统运行环境

操作系统的运行机制.pdf

预备知识：程序是如何运行的

C语言代码→机器指令（二进制）

“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

注：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”，注意与本节的“指令”区别开。本节中的“指令”指二进制机器指令

两种程序与两种指令

• 内核程序，很多内核程序组成了“操作系统内核”，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，甚至可以说一个操作系统只要有内核就够了（例：Docker仅需Linux内核）

  • 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

• 应用程序，普通程序员写的程序

  • 应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等

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断出其类型

常见特权指令

• 有关对I/O设备操作的指令

• 有关访问程序状态的指令

• 存取特殊寄存器指令

两种处理器状态

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中有一个寄存器叫做程序状态字寄存器(PSW)，其中有一个二进制位0表示内核态，1表示用户态

• 处于内核态（核心态、管态）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（目态）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

内核态与用户态的切换

• 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，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号）

1.3.1 处理器运行模式

与硬件紧密相关的模块、各种常用设备的驱动程序、运行频率较高的模块一般都安排在OS内核中，常驻内存。运行在内核态

大多数操作系统的内核包括以下4个方面的内容：

时钟管理

实现计时模式

中断处理

负责实现中断机制

原语操作

按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的公用小程序，它们各自完成一个规定的操作。它们的特点如下：

• 处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分

• 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成，期间不允许被中断。可以使用关中断指令和开中断指令来实现原子性。

• 这些程序的运行时间都比较短，而且调用频繁

通常把具有这些特点的程序称为原语。定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。

系统中设备驱动、CPU切换、进程通信等功能中的部分操作都可定义为原语，使它们称为内核的组成部分

系统控制的数据结构及处理

这些管理工作更多的是对数据结构的管理，不会直接涉及硬件

• 进程管理：进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等

• 存储器管理：存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序

• 设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等

1.3.2 中断和异常的概念

可以联系计组异常和中断机制与输入输出系统

中断和异常.pdf

中断的作用

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2章 进程与线程相关内容）。“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

中断的类型

内中断

也称异常、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

• 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（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。 “系统调用”就是通过陷入指令完成的）

按照异常发生原因和返回方式不同，可分为故障、自陷和终止：

• 故障(Fault)：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。返回当前指令。

  补充：Cache失效与虚拟存储器失效的处理方法不同，Cache完全由硬件实现，不涉及软件端；虚拟存储器由硬件和OS共同完成，缺页时才会发出缺页中断

• 异常、陷入(Trap)：（陷入指令=trap指令=访管指令）由陷入指令引发，是应用程序故意引发的，CPU会自动根据不同“陷阱“类型进行相应的处理，然后返回到自陷指令的下一条指令执行（当自陷指令是转移指令时，返回到转移目标指令执行）

• 终止(Abort)：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：整数除0、非法使用特权指令

外中断

也称中断，与CPU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。返回下一条指令。

包括I/O设备发出的I/O中断（如键盘输入、打印机缺纸），或发生某种特殊事件（如用户按Esc键、定时器技术时间到）等。外部I/O设备通过特定的中断请求信号线向CPU提出中断请求，CPU每执行完一条指令就检查中断请求信号线，如果检测到中断请求，则进入中断响应周期。

• 例子1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

• 例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断

• 可屏蔽中断：通过可屏蔽中断请求线INTR向CPU发出的中断请求。CPU可以通过在中断控制器中设置响应的屏蔽字来屏蔽它或不屏蔽它。被屏蔽的中断请求将不被送到CPU

• 不可屏蔽中断：指通过专门的不可屏蔽中断请求线NMI向CPU发出的中断请求，通常是非常紧急的硬件故障，如电源掉电等。这类中断请求信号不可被屏蔽，以让CPU快速处理这类紧急事件

异常vs中断

• 异常的检测由CPU自身完成，不必通过外部的某个信号通知CPU。

• 对于中断，CPU必须通过中断请求线获取中断源的信息，才能知道哪个设备发生了何种中断

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。

显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”

1.3.3 系统调用

系统调用.pdf

什么是系统调用

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。

补充：系统调用是操作系统为应用程序使用内核功能所提供的接口，因此系统调用只能通过用户程序间接使用。

系统调用与库函数的区别

1. 裸机

2. 操作系统：向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务

3. 编程语言：向上提供库函数，有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便

4. 普通应用程序：可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及

什么功能要用到系统调用

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。

• 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、撤销、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

系统调用的过程

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

1.4 操作系统结构

操作系统的内核该如何设计？

操作系统体系结构（上）.pdf

操作系统体系结构（下）.pdf

分层结构

• 特性：内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口。最底层是硬件，最高层是用户接口

• 优点

  • 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证

  • 易于扩充和维护，各层之间调用接口清晰固定

• 缺点

  • 仅可调用相邻底层，但有时又难以合理定义各层的边界

  • 效率低，不可跨层调用，系统执行时间长

模块化

• 特性：将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法

  • 主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理

  • 可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核

• 优点

  • 模块间逻辑清晰易维护，确定模块接口后即可多模块同时开发

  • 支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强操作系统适应性

  • 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高

• 缺点

  • 模块间的接口定义未必合理、实用

  • 模块间相互依赖，更难调试和验证

大内核

• 大内核，又名宏内核、单内核，是将系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在内核态，从而为用户程序提供高性能的系统服务。如：Linux、Unix

• 优点：性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用

• 缺点

  • 内核代码庞大、结构混乱，难以维护

  • 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃

微内核

将内核中最基本的功能保留在内核，而将那些不需要在核心态执行的功能移动到用户态执行，从而降低内核的设计复杂性。如：Windows NT

• 优点

  • 内核功能少，结构清晰，方便维护，可靠性高

  • 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃

• 缺点

  • 需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

  • 用户态下的各个功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的“消息传递”来间接通信

	大内核	微内核
复杂性	更高	更低👍
可维护性性	更低	更高👍
可靠性	更低	更高👍
可移植性	更差	更好👍
可扩展性	更差	更好👍
占用内存空间	更多	更少👍
性能(效率)	更高👍	更低
状态切换开销	更低👍	更高

外核

• 内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且外核负责保证资源使用安全

• 优点

  • 外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户可以更灵活的使用硬件资源

  • 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率

• 缺点

  • 降低了系统的一致性

  • 使系统变得更复杂

1.5 操作系统引导

开机的时候，怎么让操作系统运行起来

操作系统引导.pdf

BIOS(Basic Input/Output System)，基本输入输出系统，保存在内存ROM区域中的固定程序。

BIOS→硬盘→MBR→硬盘分区→PBR→操作系统

1. 激活CPU。 激活的CPU读取ROM中的boot程序，将指令寄存器置为BIOS的第一条指令，即开始执行BIOS的指令；

2. 硬件自检。 启动BIOS程序，先进行硬件自检，检查硬件是否出现故障。如有故障，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动终止；如无故障，屏幕会显示CPU、内存、硬盘等信息；

3. 加载带有操作系统的硬盘。 硬件自检后，BIOS开始读取Boot Sequence（通过CMOS里保存的启动顺序，或者通过与用户交互的方式），把控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备，然后CPU将该存储设备引导扇区的内容加载到内存中；

4. 加载主引导记录MBR。 硬盘以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘。如果发现一个存储设备不是可引导盘，就检查下一个存储设备。如无其他启动设备，就会死机。主引导记录的作用是告诉CPU去硬盘的哪个分区去找操作系统；

5. 扫描硬盘分区表，并加载硬盘活动分区。 主引导记录包含磁盘引导程序和磁盘分区表，磁盘分区表以特定的标识符区分活动分区和非活动分区。主引导记录扫描硬盘分区表，进而识别含有操作系统的硬盘分区（活动分区）。找到硬盘活动分区后，开始加载硬盘活动分区，将控制权交给活动分区；

6. 加载分区引导记录PBR。 包含分区引导程序。读取活动分区的第一个扇区（即分区引导记录PBR, Partition Boot Record），寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序（启动管理器）

7. 加载启动管理器。 启动管理器也称操作系统引导程序或操作系统初始化程序。

8. 加载操作系统

1.6 虚拟机

虚拟机.pdf

虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器(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(VMM)/Hypervisor

• 第一类VMM：直接运行在硬件上（只有虚拟机管理程序运行在内核态，上层操作系统运行在用户态）

• 第二类VMM：运行在宿主操作系统上（虚拟机管理程序运行在用户态和内核态）

两种虚拟管理程序对比

	第一类VMM	第二类VMM
对物理资源的控制权	直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源	运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配物理资源
资源分配方式	在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于外核的分配方式，分配未经抽象的物理硬件	Guest OS拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件。Guest OS分配到的内存是虚拟内存
性能	性能更好	性能更差，需要Host OS作为“中介
可支持的虚拟机数量	更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机	更少，Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源
虚拟机的可迁移性	更差	更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Host OS上，商业化应用更广泛
运行模式	第一类VMM运行在最高特权级(Ring 0)，可以执行最高特权的指令。	第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核态。Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对Host OS的系统调用

支持虚拟化的CPU通常分更多指令等级

• Ring 0：最高权限的一些指令

• Ring 3：最低权限的一些指令