一.操作系统的定义
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。
二.操作系统的功能与目标
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?
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。
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?
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
易懵概念:
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
Step 1: win键+R
Step 2:输入cmd，按回车，打开命令解释器
Step 3:尝试使用time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. d1l程序员在程序中调用user32. d1l (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(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。.
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。
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?
需要提供的功能和目标:实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机成为裸机。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
类比:
硬件:锤子、锯子、木头、钉...
操作系统:优秀的工匠
操作系统对硬件机器的拓展:通过优秀工匠，这些简单的原料可以组织成房子、帆船、匹诺曹。。。
普通用户可直接使用工匠提供的房子、帆船、匹诺曹，而无需关心这些东西在底层是怎么组织起来工作
的
三.操作系统的特征
1.并发
并发:指两个或多个事件在同- -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。
常考易混概念-- -并行:指两个或多个事件在同- -时 刻同时发生。
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，但宏观上看起来就像在同时执行)
事实上，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。
2.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。
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。
3.虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若千个逻辑上的对应物。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。
4.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。.
四.操作系统的发展和分类
五.操作系统的运行机制与体系结构
1. 指令
2.处理器
根据指令分二种处理器状态，功能如图下
3.二种程序功能如图下：
4.操作系统的内核
内核是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。
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- -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。
六.中断和异常
1.中断的概念与作用
a.当中断发生时，CPU立即进入核心态
b.当中断发生后，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
c. 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、
分配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。
问题:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?
答:、“用户态>核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。“核心态→用户态”的切换是通过执行一-个特权指令，将程序状态字(PSW) 的标志位设置为“用户态”
2.中断的分类
另一种分类方式：
3.外中断处理过程
Step1:执行完每个指令之后，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
Step 4:恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行
七.系统调用
1.什么是系统调用，有何作用
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。
“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。
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- -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/0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。
2.系统调用与库函数的区别
3.系统调用的背后过程
传递系统调用参数>执行陷入指令(用户态)→执行系统调用相应服务程序(核心态)→返回用户程序
a.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，从而CPU进入核心态
b.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
c.陷入指令是唯一 一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令
八.进程
1.进程的定义
程序:就是一个指令序列
单道程序的内存 多道程序的内存
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。
注意: PCB是进程存在的唯、标志!
从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有: .
1.进程是程序的一次执行过程。
2.进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3.进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的-一个独立单位
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一一个 独立单位。
注:严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。不过，除非题目专门考察二者区别，否则可以认为进程实体就是进程。因此我们也可以说“进程由程序段、数据段、PCB三部分组成”
2.进程的组成
进程(进程实体)由程序段、数据段、PCB三部分组成。
3.进程的组织
（1）链接方式
（2）索引方式
4.进程的特征
5.进程的状态与转换
（1）三种的基本状态
（2）进程状态的转换
5.进程的控制
(1)进程控制的定义
进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
简化理解:反正进程控制就是要实现进程状态转换
（3）实现进程的控制
用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断，只能-气呵成。
这种不可被中断的操作即原子操作。
原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现
显然，关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令
（4）进程控制的相关原语
A.更新PCB中的信息(如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
B.将PCB插入合适的队列
C. 分配/回收资源
6.进程的通信
进程通信就是指进程之间的信息交换。
进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间)，因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
(1)共享存储
（2）管道通信
a.管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置
两个管道。
b.各进程要互斥地访问管道。.
c.数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write() 系统调用将被阻塞，等待读进程将数据
取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
d.如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
e.数据一旦被读出，就从管道中被拋弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情
况。
(3)消息传递
进程间的数据交换以格式化的消息(Message) 为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收
消息”两个原语进行数据交换。（各进程之间通过信箱进行消息传递）
九.线程的概念和多线程模型
1.什么是线程，为什么要引入线程
可以把线程理解为“轻量级进程”线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。引入线程之后，不仅是进程之间
可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一-步提升了系统的并发度，使得-一个进程内也可以并发处理各种任务(如QQ
视频、文字聊天、传文件)。引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元(如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)。
（1）引入线程机制后，有什么变化
类比:
去图书馆看书。
切换进程运行环境:有 一个不认识的人要用桌子，你需要你的书收走，他把自己的书放到桌上
同一进程内的线程切换=你的舍友要用这张书桌，可以不把桌子.上的书收走
（2）线程的属性
（3）线程的实现方式
用户级线程：
内核级线程 又称内核支持的线程
在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式:将n个用户级线程映射到m个内核级线程上( n>=m)
操作系统只“看得见”内核级线.程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。
例如:左边这个模型中，该进程由两个内核级线程，三个用户级线程，在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一
个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行。
2.多线程模型
(1)在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。
多对一模型:多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应-一个内核级.线程。
优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
缺点:当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行
(2)在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。
一对一模型: 一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
优点:当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
缺点: 一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
(3) 在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。
多对多模型: n用户及线程映射到m个内核级线程(n>=m)。每个用户进程对应m个内核级线程。
克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一-模型中一个用户进程占用太多内.核级线程，开销太大的缺点。
十.调度
1.处理机调度的概念
当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。
在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程。
处理机调度，就是从就绪队列中按照一-定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行。
（1）调度的三个层次---高级调度
由于内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。
高级调度(作业调度)。按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个)作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程(建立PCB)，以使它(们)获得竞争处理机的权利。
高级调度是辅存(外存)与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要.操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。
（2）调度的三个层次---中级调度
引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。
这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
中级调度(内存调度)，就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。.
补充知识：进程的挂起态和七状态模型
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态，suspend)
挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
五状态模型>七状态模型
注意“挂起”和“阻塞”的区别，两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列，甚至会根据阻塞原因不同再把阻塞挂起进程进一步细分 为多个队列。
（3）调度的三个层次---低级调度
低级调度(进程调度)，其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一一个进程，将处理机分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度， 在一 般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一 次。
2.三层调度的联系与对比
3.进程调度的时机
进程调度(低级调度)，就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。
问题：（1）进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换 √
（2）进程处于临界区时不能进行处理机调度 X
临界资源:一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。
临界区:访问临界资源的那段代码。
内核程序临界区：一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列(由各就绪进程的PCB组成)
4.进程调度的方式
5.进程的切换与过程
“狭义的进程调度”与“进程切换”的区别:
狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这 个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，
也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换)
进程切换是指-一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程。
广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。
进程切换的过程主要完成了:
（1）.对原来运行进程各种数据的保存
（2）.对新的进程各种数据的恢复
(如:程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块)
注意:进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，
使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。
6.调度算法的评价指标
（1）cpu利用率
由于早期的CPU造价极其昂贵，因此人们会希望让CPU尽可能多地工作
CPU利用率:指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。
Eg:某计算机只支持单道程序，某个作业刚开始需要在CPU上运行5秒，
再用打印机打印输出5秒，之后再执行5秒，才能结束。在此过程中，
CPU利用率、打印机利用率分别是多少?
（2）系统的吞吐量
对于计算机来说，希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业
系统吞吐量:单位时间内完成作业的数量
E8:某计算机系统处理完10道作业，共花费100秒, 则系统吞吐量为? 答：10/100 =0.1道/秒
（3）周转时间
对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。
周转时间是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。它包括四个部分:作业在外存后备队列上等待作业调度(高级调度)的时间、进程在就绪队列上等待进程调度(低级调度)的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。
思考:有的作业运行时间短，有的作业运行时间长，因此在周转时间相同的情况下，运行时间不同的作业，给用户的感觉肯定是不一样的
因此人们提出了带权周转时间。
