Goal
- 操作系统的功能和目标三个目标：方便（操作系统使计算机更易于使用）、有效（操作系统允许以更有效的方式使用计算机系 统资源）、扩展能力（在构造操作系统时，应允许在不妨碍服务的前提下，有效地开发、测试和引入新 的系统功能）
- 作为用户/计算机接口的操作系统（方便）：操作系统是最重要的系统程序，为程序员使用系统提 供了方便的接口。简单地说，操作系统通常提供了以下几个方面的服务：程序开发、程序运行、I/O设备 访问、文件访问控制、系统访问、错误检测和相应记账。典型计算机系统中的三种重要接口：指令系统 体系结构（ISA）、应用程序二级制接口（ABI）、应用程序编程接口（API）
- 作为资源管理器的操作系统（有效）
- 操作系统的易扩展性（扩展能力）
- os概念 与应用程序相同点不同点
- 操作系统是计算机硬件和应用程序之间的一层软件 为应用程序和工具提供支持
- 将硬件和用户隔离开来，屏蔽了底层的复杂性
- 操作系统是控制应用程序执行的程序，是应用程序和计算机硬件间的接口
- 与应用程序区别：它是由处理器执行的一段程序或一组程序。 操作系统经常会释放控制，而且必须依赖处理器才能恢复控制。
- 操作系统常见模块 各个模块功能 3/4都行 4个都要了解
- 进程管理模块：负责管理系统中的进程，包括进程的创建、调度、同步、通信和终止等操作。
- 内存管理模块：负责管理系统中的内存资源，包括内存的分配、回收、保护和共享等操作。其中虚拟内存 把进程地址空间中的虚地址映射到计算机内存中的物理页，进行进程分配和管理
- 文件系统模块：负责管理系统中的文件和目录，包括文件的创建、读写、删除和权限控制等操作。
- 调度：管理各种可用资源（内存空间、IO设备、处理器）并调度各种活动进程使用这些资源
- 分时系统和批处理系统 概念 相同点不同点
- 中断和异常在分时系统和批处理系统中的作用
- 批处理：实现了用户程序和操作系统的交互，在系统调用时，当用户程序需要访问系统资源时，中断可以将CPU的控制权转交给操作系统，由操作系统处理用户程序的请求，并将结果返回给用户程序。 中断和异常使操作系统在让用户程序放弃控制权或从用户程序获得控制权时有更大的灵活性
- 分时系统：
- 在每个时间片结束时，系统会发生时钟中断，操作系统会恢复控制权，并将处理器分配给下一个用户。
- 用于实现多任务处理。由于分时系统允许多个用户同时访问计算机系统，因此需要及时处理用户程序的请求，并将CPU的控制权转交给其他用户程序，以保证系统的效率和吞吐量。中断在分时系统中可以实现这种多任务处理的机制，它可以使CPU在不同的用户程序之间切换，以满足多用户的需求
- 用于实现用户交互。当用户程序需要访问系统资源时，中断可以将CPU的控制权转交给操作系统，由操作系统处理用户程序的请求，并将结果返回给用户程序。这种中断通常称为系统调用，它是分时系统中实现用户程序和操作系统交互的重要机制。
- 可以用来处理硬件故障、内存访问错误等异常情况，以保证系统的可靠性和稳定性。
- 解释如果操作系统是虚拟机 原理 背景等等虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的 完整计算机系统。准确来说，虚拟机是一种特殊的操作系统。操作系统将物理内存、CPU、磁盘、网络等硬件资源抽象为逻辑上的虚拟资源，为应用程序提供了一套统一的系统调用接口，使得应用程序可以通过这些接口来访问硬件资源，而不需要了解底层硬件的细节。此外，操作系统还为应用程序提供了一套虚拟的计算机环境，包括虚拟内存、虚拟文件系统、虚拟网络等，使得应用程序可以在这个虚拟环境中运行，而不需要了解底层硬件的实际情况。
操作系统的目标和功能
操作系统是控制应用程序执行的程序 是应用程序和计算机硬件间的接口
3个目标
- 方便
- 操作系统使计算机更易于使用
- 作为用户/计算机接口的操作系统
- 有效
- 操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源
- 扩展能力
- 在构造操作系统时 应允许在不妨碍服务的前提下 有效地开发测试和引入新的系统功能
- 模块化结构 清楚的定义模块间接口
计算机发展史
计算机系统的三条主线：多道程序批处理操作、分时和实时事务系统（多道、分时、实时）
- 多道：让处理器和I/O设备（包括存储设备）同时保持忙状态，以实现最大的效率
- 分时：及时响应单个用户的要求的同时可以支持多个用户
- 实时：多个复杂程序 同样强调响应时间
简介
串行处理系统(Serial Processor System)：机器执行完一条指令后，才取出下一条指令来执行的一种工作方式；
简单批处理系统(Simple Batch Processing System)：程序完成处理后返回监控程序(monitor)，监控程序自动加载下一个程序；
多道批处理系统(Multiprogrammed Batch Processing System)：当一个作业等待I/O时，可以先执行另一个作业，由于待运行作业需要保存在内存中，所以需要内存管理(memory management)；
分时系统(Time-Sharing System)：分时操作系统是使一台计算机采用时间片轮转的方式同时为几个、几 十个甚至几百个用户服务的一种操作系统。
多道批处理系统
在响应表示I/O事物结束的信号时 OS对内存中驻留的不同程序进行处理器切换
内存空间可以保存操作系统(常驻监控程序)和1个用户程序 从而在当前I/O等待时 处理器切换到另一个不在等待的I/O
分时系统
处理多个交互作业 ⇒ 多个用户分享处理器时间
多个用户可以通过终端同时访问系统 由操作系统控制每个用户程序在很短的时间内交替执行
主要成就
进程
3个部分：
- 一段可执行的程序
- 程序所需要的相关数据（变量、工作空间、 缓冲区……）
- 程序执行的上下文 == 进程状态
- OS用来管理和控制进程所需的内部数据
- 和进程分离
- 包括OS管理进程 + 处理器执行进程 的所有信息
- （寄存器 内容、程序计数器、数据寄存器、进程优先级、进程相关状态……）
- 进程的实现：
- 线程： 一个分配了资源的进程可分解为多个并发的线程，这些线程相互协作执行，完成进程的工作
内存管理
- 存储器管理要求：
- 进程隔离： 操作系统必须保护独立的进程，防止互相干扰各自的存储空间，包括数据和指令
- 自动分配和管理： 程序应该根据需要在存储层次间动态的分配，分配对程序员来说是透明的
- 支持模块化程序设计： 程序员应该能够定义程序模块，并动态创建、销毁、改变模块
- 保护和访问控制： 不论在存储层次中的哪一级，存储器的共享都会产生一个程序访问另一个程序内存空间的潜在可能性。操作系统必须允许一部 分内存可以由各种用户以各种方式进行访问。
- 长期存储：许多应用程序需要在计算机关机后长时间地保存信息
- 文件系统：实现长期存储，在一个有名称的对象中保存信息
- 程序员角度：文件概念非常方便
- 操作系统角度：文件是访问控制和保护的一个有用单元
- 虚拟存储机制
- 允许程序以逻辑方式访问存储器，而不用考虑物理内存上可用的空间数量
- 满足有多个用户作业同时驻留在内存中的要求
- 分页系统提供了程序中使用的虚地址和内存中的物理地址之间的动态映射
信息保护和安全
- 可用性：保护系统不被中断。
- 保密性：保证用户不能读取未授权访问的数据。
- 数据完整性：保护数据不被未授权修改。
- 认证：涉及用户身份的正确认证和消息或数据的合法性。
调度和资源管理
管理各种可用资源（内存空间、IO设备、处理器）并调度各种活动进程使用这些资源
- 要求
- 公平性：给竞争使用某一特定资源的所有进程提供几乎同等和公平的访问机会
- 有差别的晌应性：另一方面，操作系统可能需要区分具有不同服务要求的不同作业类别 。操 作系统将试图做出满足所有要求的分配和调度决策，并动态地做出决策。
- 有效性：操作系统希望获得最大的吞吐量和最小的响应时间，并在分时情形下，能够容纳尽可 能多的用户
- 短程队列
- 在内存中 等待处理器可用时随吋准备运行的进程
- 基于优先级调度 or 时间片轮转调度
- 长程队列：等待使用处理器的新作业列表
- 长程 → 短程 ⇒ 处理器为新作业分配内存
现代操作系统的特征
- 单体内核
- 微内核体系结构 适合于分布式环境
- 多线程
- 对称多处理
- 分布式操作系统
- 面向对象设计 可拓展
虚拟机
提供了更高程度的应用隔离和错误隔离
通过虚拟化技术实现对计算机资源的隔离和分配，从而实现多个操作系统和应用程序在同一物理计算机上运行的目的。虚拟机可以有效地提高计算机资源的利用率，降低系统的维护成本，提高系统的可靠性和安全性。
可以在一台物理计算机上同时运行多个操作系统和应用程序，从而大大提高了计算机资源的利用率
