操作系统第一章笔记
1 操作系统的概念、功能和目标
操作系统的概念（定义）
应用程序：比如QQ、IE浏览器、英雄联盟等等。
操作系统：
1 负责管理协调硬件、软件等与计算机资源的工作
2 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务。
3 操作系统是系统软件，而不是硬件
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，并合理的组织调度计算机的工作的资源的分配，以提供给用户和其他软件方便和接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件
看一个例子
左边是对软件的管理 右边是对于硬件的管理
操作系统的功能和目标
1、作为系统资源的管理者
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、作为用户和计算机硬件之间的接口
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：现代操作系统中许流行的图形用户接口
用户接口：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）
联机命令接口：用户说一句，系统做一句。(cmd下 time指令感受一下)
脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆。
程序接口：由一组系统调用组成 （程序接口=系统调用）
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。（了解就可以）
3、作为最接近硬件的层次
需要提供的功能个目标：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。
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机
2 操作系统的四个特征
其中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 一个时间间隔发生。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
关于这两个的概念可以有这样一个例子，假如两个渣男分别要同时和两个女孩约会。渣男一号选择和两个女孩同时约会（并行）。渣男二号在8–9点和第一个女孩约会，9–10点和第二个女孩约会，10–11点和第一个女孩约会（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个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替进行。操作系统和程序并发是一起诞生的
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。
两种资源共享方式
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”对他们进行访问
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
互斥共享方式：QQ和微信，一个时间段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。
并发和共享的关系
并发性指计算机系统中同时存在多个运行着的程序。
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
如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在进行，则共享性失去存在的意义。如果失去共享性，则两个进程无法同时发送文件，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。
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统只需要运行一道程序，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，以不可知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
重要考点：理解并发和并行的区别
并发和并行互为存在条件
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。
3 操作系统的运行机制与体系机构
什么是指令?指令和代码有什么区别？
一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令。简单来说：“指令”就是处理器（CPU）能识别，执行的最基本命令。比如假发指令就是让CPU进行加法运算。
指令：特权指令（如内存清零指令），非特权指令（如普通的运算指令）
两种处理器状态：用户态（目态）（此时CPU只能执行非特权指令），核心态（管态）（特权指令、非特权指令都可以执行）
用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。
两种程序：内核程序 应用程序
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。
应用程序：为了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。
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。
操作系统的内核：时钟管理、终端处理、原语、对系统资源进行管理的功能
时钟管理： 实现计时功能
中断处理： 负责实现中断机制
原语: 第一种特殊的程序，处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分，这种程序剧透原子性————其运行只能一气呵成，不可中断，运行时间较短、调用频繁。
对系统资源进行管理的功能: 进程管理；存储器管理；设备管理。
大内核
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。
优点：高性能
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。
微内核
只把最基本的功能保留在内核
优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。
缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。
4 中断和异常
中断机制的诞生
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
中断的概念和作用
1 当发生中断时，CPU立即进入核心态。
2 当发生中断后，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。
3 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：用户态到核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。
核心态到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。
系统调用
什么是系统调用，有什么作用？
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。
命令接口（允许用户直接使用）：联机命令接口，脱机命令接口。
联机命令接口：永远说一句，系统做一句。
脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆。
程序接口（允许用户通过程序间接使用）：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一掌管，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：**设备管理 文件管理 进程控制 进程通信 内存管理
系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。
系统调用与库函数的区别
系统调用 应用程序–>系统调用
库函数 应用程序–>c库函数–>系统调用.
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，使上层进行系统调用更加方便。
操作系统：向上提供系统调用。
不涉及系统调用的库函数：比如“取绝对值”的函数。
涉及到系统调用的函数：如“创建一个新文件”的函数。
系统调用背后的过程
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
注意：1、陷入指令是在用户态执行的，执行指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
2 发出系统调用请求是在用户态， 而系统调用的相应处理在核心态下进行。
3 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
什么是操作系统，有何作用？
操作系统是提供给应用程序使用的接口
应用程序通过系统调用来请求获得操作系统的服务
系统调用会使处理器从用户态进入核心态
分类 设备管理 文件管理 进程控制 进程通信 内存管理
系统调用和库函数的区别
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的进行系统调用
系统调用背后的进程
传递系统调用参数
执行陷入指令
执行系统调用相应服务程序
返回用户程序
这是第一周的学习，希望以后可以坚持每天学习。