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第一章 名词解释
操作系统的概念：①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；②提供给用户和其他软件方便的接口和环境；③是计算机中最基本的系统软件
功能和目标：
①操作系统作为 系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能?
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
②操作系统作为 用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能?
功能：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）
程序接口（由一组系统调用组成，即通过程序间接调用）
GUI（图形用户界面）
狭义上，命令接口和程序接口成为用户接口
目标：方便用户使用
③操作系统作为最接近硬件的层次，需要在 纯硬件的基础上实现什么功能?
功能与目标：实现对硬件机器的拓展
操作系统的特征：并发、共享（互斥共享方式、同时共享方式）、虚拟（空分复用技术、时分复用技术）、异步
区分并发与并行：并行指两个或多个事件同一时刻同时发生，并发是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， 微观上是交替发生的
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能 并发地运行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以 并行地运行
互斥共享方式：一时间段内只允许一个进程调用资源
同时共享方式：允许一时间段内多个进程“同时”对它们进行访问
并发与共享是相互存在的条件，并发与共享是操作系统最基本的两个特征、并发是虚拟存在的条件、并发是异步存在的条件
空分复用技术：虚拟存储器技术
时分复用技术：虚拟处理器技术
异步：允许进程以不可预知的速度向前推进
操作系统的发展与分类：
① 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
② 批处理阶段——单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术（外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入与输出；
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l/O完成。资源利用率依然很低。
③ 批处理阶段——多道批处理系统：多道、宏观上并行，微观上串行
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)
④ 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，各个用户可以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。
⑤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
实时操作系统分为硬实时系统（必须在绝对严格的规定时间内完成处理）和软实时系统（能接受偶尔违反时间规定）
⑥其他操作系统：网络操作系统：将网络中各计算机结合起来，实现网络中资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信；分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性，系统中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：方便个人使用
操作系统的运行机制和体系结构
两种指令、两种处理器状态、两种程序
指令：特权指令和非特权指令
处理器状态：用户态（目态，CPU只执行非特权指令）和核心态（管态，可执行特权指令也可执行非特权指令）；由程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。 内核态——>用户态：调用一条特权指令，修改PSW中的状态字； 用户态——>内核态：中断触发，硬件自动完成变态过程
程序：内核程序（操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。）和应用程序（为保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态）
计算机系统层次图
操作系统的内核
操作系统的体系结构：大内核和微内核、分层结构、模块化、外核
大内核：是将操作系统中的 主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态，大内核结构的操作系统也采用了 模块化的设计思想；
优点：高性能；
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
微内核：只把 基本的功能保留在内核；
优点：内核功能少，结构清晰，便于维护；
缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换（成本高），性能低
分层结构：内核分多层，每层只能单向调用更低一层的接口
优点：便于 测试和验证，自底向上逐层调试验证；便于扩充和维护，各层之间的接口清晰固定
缺点：仅可调用相邻低层，难以合理定义各层之间的边界；效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长
模块化：将内核划分为多个模块，各个模块之间相互协作，内核=主模块（负责核心功能，比如进程调度等）+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，确定模块间接口后就能实多模块同时开发；支持动态加载新的内核模块；各个模块之间可以相互调用而无需进行通信
缺点：模块间的接口定义未必合理；模块之间相互依赖，更难调试和验证
外核：内核部分只负责进程调度，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，且由外核负责保证资源使用安全；
比如内存分配空间，用户使用起来感觉是获取到一个连续的空间，但是这些存储空间是经过操作系统虚拟化的，本质上这些存储空间的物理页框是离散的；如果用户需要频繁地访问某些内存空间，为了减少磁头移动的时间，外核可以直接分配没有抽象的内存资源，用户看到的使用的就是实实在在的物理空间；且阻止其他进程访问已经分配给进程的抽象资源空间
优点：外核可以直接给用户分配“不虚拟 不抽象”的硬件资源，用户进程可以灵活地使用硬件资源；减少了虚拟硬件资源的映射层，提升效率（操作系统无需查页表）
缺点：降低了系统的一致性，系统变得更加复杂
操作系统的引导
中断与异常
概念与作用：发生了中断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（比如分配I/O设备）需要使用特权指令，因此 CPU需要从 用户态转换到核心态；中断可以让CPU从用户态转换到核心态，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
用户态到核心态是 通过中断实现，并且 中断是唯一路径；核心态到用户态切换是通过 执行一个特权指令， 将程序状态字设置为“用户态”
中断的分类：内中断（广义上的中断，也称异常、例外、陷入）与外中断（狭义上的中断），注意不同的术语
内中断（信号的来源：CPU内部与当前执行的指令有关，来自CPU内部）：自愿中断——指令中断（请求操作系统服务而在系统调用时使用的访管指令，又称陷入指令）和强迫中断（硬件故障，比如缺页和软件中断，比如整数除0）
外中断（信号的来源：CPU外部与当前执行的指令无关，来自CPU外部）：时钟中断、外设请求（I/O操作完成发出的中断信号）和人工干预（用户强制终止一个进程）
补充：内中断另一种分类方式：
陷阱、陷入（如系统调用，由陷入指令引发）
故障（如缺页，由错误条件引起，若能被内核程序修复，将CPU使用权归还应用程序）
终止（整数除0，内核程序无法修复的错误，直接终止程序）
内中断的处理过程：在执行命令的时候就会检查是否有异常发生
外中断的处理过程：执行完每个 指令（对应中断周期）后，CPU都要检测是否有外部中断信号；如果检测到有外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字等）；根据中断信号类型转入相应的中断处理程序；恢复原进程的CPU环境退出中断，返回原程序向下执行
中断机制的基本原理：CPU检测到中断信号后，根据中断信号的类型去查中断向量表，并以此找到中断处理程序在内存中的位置；
思考对应计组中的过程：找到程序入口地址后，保护现场并将内存中的寄存器的值压入堆栈，执行call指令跳转到程序入口地址，执行中断处理程序，执行完毕后执行ret指令返回上一层栈帧，恢复PC的值
具体涉及的硬件：
第几个寄存器之间数据是怎么传递的 
继续深入下去，控制器的控制信号产生过程（硬布线和微指令）
再深入，可能涉及到指令流水
系统调用
概念与作用：应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种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。
系统调用与库函数的区别：系统调用是操作系统向上层提供的接口，有的库函数是对系统调用的进一步封装，当今编写的应用程序大多是通过高级语言提供的库函数间接地进行系统调用
系统调用的背后：
传递系统调用参数，执行陷入指令，因为陷入指令是在用户态执行的，在执行完毕后会立即引发一个内中断，从而使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
陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态的 非特权指令
虚拟机
第一类虚拟机管理程序：直接运行在硬件上，操作系统需要使用特权指令时，VMM负责将特权指令进行等价转换
第二类虚拟机管理程序：安装在宿主操作系统之上，地址空间进行了多层的映射才对应到最终的地址，需要宿主操作系统作为中介
第二章 进程
进程的定义;程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。PCB是进程存在的唯一标志
系统为每个运行的程序配置一个数据结构，成为进程控制块（PCB），用以描述进程的各种信息（比如程序代码存放的位置）
进程是进程实体的运行过程，是系统进行 资源分配和调度的一个独立单位；严格意义上，进程实体与进程不一样，进程实体是静态的，进程是动态的。 一个进程是由程序段、数据段、PCB三部分组成
进程的组成：程序段+数据段+PCB（进程管理者所需要的数据都在PCB中）
程序段：存放要执行的代码
数据段：存放程序运行过程中处理的各种数据
PCB:
| 进程描述信息：进程标识符PID（当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程）和用户标识符UID |
| 进程控制和管理信息：进程当前状态和进程优先级 |
| 资源分配清单：程序段指针、数据段指针、键盘和鼠标 |
| 处理机相关信息：各种寄存器值（当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录保存在PCB中·） |