【操作系统入门篇】程序员的“基础五大件”之一

前言

据说程序员基础要学习的五大件是：数据结构与算法，计算机网络，操作系统，计算机组成原理，设计模式。这篇博客是我开的操作系统专栏的第一篇，也是入门篇，主要是一些关于操作系统的基础的东西。

初识操作系统

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，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。

首先我们来看计算机系统的层次结构：
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从最基础的开始依次是：裸机，操作系统，应用程序，用户。这里用户也可以直接与操作系统交互。但是没有操作系统用户是无法直接与裸机进行交互的，可见操作系统的重要性！

根据以上内容我们提取一下操作系统的关键信息：

1.操作系统是系统资源的管理者
2.向上层提供方便易用的服务
3.最接近硬件的一层软件

操作系统的功能

我们知道了什么是操作系统，那操作系统的功能是什么呢？

操作系统的功能主要有三方面：资源的管理者，向上层提供服务，对硬件机器的扩充。

作为资源管理者它的功能有：处理机管理，储存器管理，文件管理，设备管理。

这也是我们操作系统这门课要学习的主要东西。接下来本专栏也会一一更新这些东西的相关内容的。

向上层提供服务功能又有两种分别是给普通用户的和给程序员的。

向上层提供服务其实就很明显的体现了封装思想，即：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

其中给普通用户的功能有：

1.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。
2. 联机命令接口实例（Windows系统）：联机命令接口就是交互式命令接口，其实就是命令解释器。

给程序员的功能有：

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

对硬件机器的扩充是指将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能

没有安装任何软件的计算机称为裸机。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。

操作系统的特征

操作系统的特征一共有四个：并发，共享，虚拟，异步

并发

其中并发与共享是最基本的特征，二者也互为存在条件。

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。

这里与并发混的一个概念是——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

这里注意不要混淆，从微观上比较就可以看出它们的差别了。

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。

注：
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。

共享有两种方式：互斥共享方式，同时共享方式。

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。

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。

这里的“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）

一个栗子：
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

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。

譬如说：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）
2.需要共享地访问硬盘资源（共享性）

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
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

所以说是并发与共享是相互依存的关系。

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。

这东西看起来很抽象哇，读完跟没读一样，我们就通俗的解释一下虚拟的体现：

我们都知道一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

那么问题来了为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢？

其实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。

虚拟技术又分为两种：空分复用技术与时分复用技术

空分复用技术：主要针对于内存，具体不做阐述

时分复用技术：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。

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。

为什么会有异步性呢？

是由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此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。

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。

没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

操作系统的发展

操作系统发展阶段按出现顺序主要有：手工操作阶段，批处理阶段（单道批系统，多道批系统），分时操作系统，实时操作系统，网络操作系统，分布式操作系统，个人计算机操作系统。

接下来我们分别看看它们各自优缺点：

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中断和异常

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

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。

操作系统内核程序是整个系统的管理者，在应用程序需要CPU时操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序，但是应用程序使用完CPU不会主动的把CPU使用权还给操作系统内核程序，这时候中断机制就会起作用。

中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

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.

终端又分为内中断与外中断：

内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

内中断又有三种：

陷入：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
故障：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
终止：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

其实内中断就是因为程序出现各种异常被被迫的中断，所以内中断也被称为：异常

外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。外中断有时钟中断与I/O中断请求

外中断是外部请求而发生的正常中断，是可以预知的。

中断特指狭义的中断，即外中断；而内中断一般称为“异常”

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。

中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”

系统调用

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。

我们来看看系统调用与应用程序的关系：

*	与系统调用的关系
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
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。
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

一个王道的栗子让你知道系统调用的重要性：

生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了 WPS 的“打印”选项，打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另一位同学按下了 Word 的“打印”按钮，开始打印他自己的论文。

思考：如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？

两个进程并发运行，打印机设备交替地收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…

解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供 “系统调用” ，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

哪些功能需要使用到系统调用：

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。
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系统调用的过程为：
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）-> 返回应用程序继续执行下面的语句