第一章-概念

1.1 作業系統的概念：

　1.1.1 什麼是作業系統：

1. 控制和管理整個計算機系統的硬體和軟體資源
2. 合理地組織排程計算機的工作和資源的分配
3. 提供給使用者和其他軟體方便的介面和環境
4. 是計算機最基本的系統軟體

　1.1.2 作業系統的功能和目標：

1. 作業系統作為系統資源(資源：軟體、硬體、檔案等)的管理者，提供什麼功能？　
   1. 提供功能：處理機管理(CPU)、儲存器管理、檔案管理、裝置管理
   2. 目標：安全高效
   3. 理解案例：開啟QQ和朋友聊天，QQ是軟體，QQ的安裝路徑有組織存在作業系統(資料夾中)，QQ的程式相關資料放入記憶體，QQ相關的程式由CPU處理　　　
2. 作業系統作為使用者與計算機硬體之間的介面，要為其上層的使用者、應用程式提供簡單易用的服務，需要實現什麼功能？
   1. 提供功能：命令介面、程式介面、GUI(圖形使用者介面) <-- 這三個統稱"使用者介面"
      1. 命令介面：允許使用者直接使用
         
         1. 聯機介面：一句系統一執行(如：cmd，輸入一個指令就執行一個指令)
         2. 離線介面：一堆系統做一堆(如：如寫程式在記事本，然後在程式)
      2. 程式介面：允許使用者提供程式間接使用，程式介面=系統介面(如：透過程式，注意是程式，呼叫user32.dll，就是程式介面)
      3. GUI(圖形使用者介面)：圖形使用者介面(如：windows、安卓的圖形頁面就是)　　
   2. 目標：方便使用者使用　　　　　　
3. 作業系統作為最近硬體的層次，需要在硬體的基礎是實現什麼功能？
   1. 提供功能：實現對硬體機機器的擴充(如：在裸機上安裝作業系統，提高機器的使用能力)

　1.1.3 總結：

1. 作業系統是在硬體和應用程式的中間
2. 作業系統對系統如：CPU、程式等(叫做系統資源)進行管理
3. 提供介面給使用者使用，一部分直接使用(如：cmd視窗)，一部分需要透過軟體間接使用(如：user32.dll)
4. 作業系統主要目的：方便使用者的使用

1.2 作業系統的特徵：

　1.2.1 作業系統的特徵有：併發、共享、虛擬、非同步：

1. 併發：指兩個或多個事務在同一時間內間隔發生(宏觀上是同時發生，微觀上就進行一次任務發生，因為它的交替執行)
   1. 並行：指兩個或多個事務在同一時刻同時發生　
2. 共享：系統中的資源，提供記憶體中多個併發執行的程式使用
   1. 互斥共享方式：系統中的某些資源，可以提供給多個程式使用，但一個時間段只允許一個程式訪問該資源(如：微信影片了，就不能在使用相機拍影片)
   2. 同時共享方式：系統中的某些資源，允許同一個時間段由多個程式“同時”進行訪問(如：QQ和微信都發生檔案，宏觀是是同時發生，微觀上是交替訪問硬碟進行發生)　
3. 虛擬：把一個物理上的實體變成若干個邏輯上對應物，物理實體是時間存在，對應物是使用者感受
   1. 理解案例：電腦只有4GB的執行記憶體，GTA5需要4GB來執行，當我玩GTA5，我又開啟qq、微信、網易雲這些原超4GB，還能執行用到的就是虛擬技術
   2. 虛擬技術分為：空間多工技術、分時多工技術
4. 非同步：在多道程式環境下，允許多個程式併發執行，但由於資源有限，程式的這些不是一貫待到底，而是走走停停，以不可預知的速度推進
   1. 理解案例：一個電腦(人)，只有一個心(CPU)，現在要進行兩段約會(兩個程式)，當人把心給到第一個約會的人，第二個約會的人也向人要心，但心在約會一的手裡，這就是可限的資源，導致走走停停

　1.2.1 併發性和共享性的關係：

1. 併發和共享是互為存在條件
   1. 沒有併發，共享就失去意義
   2. 沒有共享，就不行實現併發
2. 沒有併發和共享，就談不上性虛擬和非同步，所有併發和共享是作業系統最基本的特徵　

　1.2.3 總結：

1. 作業系統的特徵：併發、共享、虛擬、非同步
2. 沒有併發和共享就沒有，虛擬和非同步
3. 併發和共享是相輔相成，是作業系統最基本的特徵　　

1.3 作業系統的發展和分類：

 

  1.3.1 總結：

1. 每一代操作的跟新都是解決上一代操作的缺點

1.4 作業系統的執行機制與體系結構

　1.4.1 執行機制和體系結構分為：

1. 分為：執行機制、作業系統核心、作業系統的體系結構　　
2. 執行機制：兩種指令、兩種處理器狀態、兩種程式
   1. 兩種指令：特權指令、非特權指令
      1. 特權指令：特殊的指令(不允許使用者程式執行的指令)【透過處理器狀態來標識只是可以使用】
      2. 非特權指令：普通的運算指令(允許使用者程式使用)
   2. 兩種處理器狀態：核心態、使用者態
      1. 使用者態：只能執行非特權指令
      2. 核心態：特權指令、非特權指令都可以執行
      3. 怎麼知道是使用者、核心態，用程式狀態暫存器中的某個標識來進行標識
      4. 使用者態到->核心態是透過中斷實現的。並且中斷是唯一的途徑
      5. 核心態->使用者態執行一個特權指令，將程式狀態的標誌設定為：使用者態
   3. 兩種 程式：核心程式、應用程式
      1. 核心程式：作業系統的核心程式是系統的管理者，可以執行特權指令，也可以執行非特權指令，執行在核心態
      2. 應用程式：保證系統能安全執行，普通的應用程式只能執行非特權指令，執行在使用者態　　
3. 作業系統核心分為：時鐘管理、中斷處理、原語、系統資源進行管理的功能
   1. 時鐘管理：實現計時功能
   2. 中斷處理：負責實現中斷機制
   3. 原語：
   1. 一種特殊的程式
   2. 處於作業系統底層，最近硬體的部分
   3. 具有原子性，要麼全執行，要麼全步執行
   4. 執行時間短，呼叫頻繁
   4. 系統資源進行管理的功能：(不同的作業系統，對這個也不同)
   1. 程式管理
   2. 儲存器管理
   3. 裝置管理
4. 作業系統的體系結構：大核心、微核心
   1. 大核心：
      1. 作業系統的主要功能都作為系統核心，執行在核心態
      2. 優點：高效能
      3. 缺點：核心程式碼大，結構混亂，難以維護
   2. 微核心：
      1. 只把基本的功能保留中核心
      2. 優點：核心功能少，結構清晰，方便維護
      3. 缺點：效能低，需要頻繁地在使用者態和核心態切換　　

　1.4.2 總結：

1. 執行機制：
   1. 特權指令(不允許使用者程式使用)、非特權指令(不允許使用者程式使用)
   2. 使用者態(只能非特權指令)、核心態(在核心態可以使用特權指令，和非特權指令)
   3. 核心程式(執行在核心態，核心管理者)、應用程式(執行在使用者態，保證系統安全執行)
2. 作業系統核心分為：時鐘管理、中斷處理、原語、系統資源進行管理的功能
   1. 這些都是管理作業系統
作業系統的體系結構：大核心、微核心

1.5 中斷和異常

　　1.5.1 中斷機制的誕生：

1. 實現多道程式併發執行而引入的一種技術

　　1.5.2 中斷的概念和作用：

1. 概念：發生中斷，意味著需要作業系統介入開展管理工作，CPU立即進入核心態
   1. CPU立即進入核心態理解：當執行“檔案1”的時候處於使用者態，“檔案1”進行IO操作，CPU進入核心態，就會去判斷執行到“檔案2”
2. 作用：
   1. 使用者態到->核心態是透過中斷實現的。並且中斷是唯一的途徑

   1.5.3 中斷的分類：

1. 內中斷：CPU內部進行中斷的訊號

   1. 指令中斷、硬體故障、軟體中斷
2. 外中斷：CPU外部進行中斷的訊號　
   1. 外設請求、人工干預

　　1.5.4 外中斷的處理過程：

　　1.5.5 總結：

1. 中斷是為了解決多道程式併發執行，提高CPU的利用率
2. 中斷分CPU外部和內部中斷，
3. 外部中斷會對當前的程式進行一個型別存檔的操作

1.6 系統呼叫

　　1.6.1 什麼是系統呼叫，和作用：

1. 系統呼叫：作業系統提供給應用程式使用的介面
   1. 應用程式提供系統呼叫來請求獲取作業系統的服務
2. 作用：
   1. 系統呼叫會使處理器從使用者態進入核心態
   2. 保證系統的穩定性和安全性
   3. 防止使用者進行非法操作
3. 理解案例：如一個應用程式需要使用檔案，那麼該程式需要使用作業系統提供的介面來請求獲取對檔案的操作

　　1.6.2 什麼資源需要作業系統的介入：

1. 分類：裝置管理、檔案管理、程式控制、程式通訊、記憶體管理
2. 總結：與資源有關的操作，直接影響到其他程式的存在，一定需要作業系統介入

　　1.6.3 系統呼叫和庫函式的區別：

1. 系統呼叫：是向上層提供的介面
2. 庫函式：是對系統呼叫的進一步封裝
3. 現在大多數的程式語言如C、java提供的庫函式間接地進行系統呼叫

 　　1.6.4 系統呼叫背後的過程：

1. 傳遞系統呼叫引數
2. 執行陷入指令(執行陷入指令產生中斷，使處理器從使用者態進入核心態)
3. 執行系統呼叫相應服務程式
4. 返回使用者程式
5. 細節：系統呼叫發生在使用者態，系統呼叫的處理發生在核心態

　　1.6.5  總結：

1. 系統呼叫是提供給應用程式使用的介面，應用程式需要透過請求來獲取作業系統的服務
2. 與資源，直接影響其他程式的存在，一定需要作業系統的進入，所有需要系統呼叫來實現
3. 系統呼叫是向上提供介面，庫函式是對系統呼叫進一步封裝
4. 系統呼叫發生在使用者態，系統呼叫的處理發生在核心態