[大数据]OS---第一章

第一章

操作系统

概念（定义）：

	1.负责管理协调软硬件等计算机资源的工作。
    2.为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
    3.操作系统是一种系统软件，而不是硬件

功能和目标

	1.资源的管理者：(1)处理机管理	(2)存储器管理	(3)文件管理		(4)设备管理     //目标=>安全、高效
    2.向用户提供服务:(1)命令接口(用户可以直接使用)：
        			  联机命令接口 (交互)、脱机(批处理)命令接口(用户说一堆,机器做一堆) //(1)(2)统称为用户接口
    			   (2)程序接口=系统调用(用户间接使用，为程序员提供的)：
        			  由一组系统调用组成。系统调用=广义指令						 //目标=>方便使用
        		   (3)GUI用户图形界面
    3.对硬件机器的拓展：扩充机器（虚拟机）												    //目标=>扩展能力	

特征

	1.并发:和并行区分开，操作系统和程序并发是一起诞生的	  //并发和共享互为存在条件	
    2.共享:	互斥共享：摄像头	同时共享:音响		   //并发和共享是最基本两个的特征
    3.虚拟:										//并发为前提
			空分复用技术（虚拟存储技术：可以同时打开很多占内存的应用，他们所占运行内存远大于电脑运行内存）
            时分复用技术（虚拟处理器,比如你4核的，但是你可以同时运行五个应用）
    4.异步:  程序总是走走停停						   //并发为前提

其他

		1.系统软件包括：操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、服务性程序、标准库程序。
        2.操作系统管理文件（文件结构、多文件之间的协调，不关心文件内容），但是文件不属于硬件资源，需要计算机资源
        3.源程序直接面向程序员的，而不是操作系统的管理内容
        4.命令接口：命令解释器、shell命令解析器
        5.操作系统不提供管理系统缓存的系统调用，操作系统的程序会被加载到RAM
        6.顺序性是程序设计的基本特征

操作系统的发展和分类

	1.手工操作阶段：		缺点：人机速度矛盾
    2.批处理阶段：//单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）特点；自动性、顺序性、单道性
        		优点：缓解人机速度矛盾		缺点：资源利用率仍然很低
        		//多道批处理系统（操作系统开始出现）特点：多道、宏观上并行、微观上串行
        		多道批处理系统的I/O设备可与CPU并行工作，由中断技术实现
        		优点：多道程序并发执行，资源利用率高		缺点：不提供人机交互功能，系统开销大
    3.分时操作系统：cpu的运行时间分为很短的shijianp
        		优点：提供人机交互		  缺点：不能优先处理紧急任务
    4.实时操作系统：
        		//硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如导弹发射、自动驾驶
        		//软实时系统：能接受偶尔违反时间规定，火车票购票系统
        		优点：能优先处理紧急任务
        		
        		实时操作系统必须在"被控制对象规定时间内"处理来自外部的事件。
        		实时操作系统采用抢占式的优先级高者优先,实时操作系统利用率低。
        
     //下面的了解
     (1)网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统  	
     (2)分布式操作系统和网络操作系统的不同：分布式操作系统中的若干计算机互相协同完成同一任务
     (3)个人计算机操作系统：Windows、Linux、Macintosh等
     (4)在IBM-PC中，操作系统称为：微型计算机操作系统
     (5)多任务操作系统可在同一时间内运行多个应用程序，多个任务必须互斥地访问共享资源，所以要对共享资源进行保护。不一定要在多cpu		 上才能运行

运行机制

	两种指令：特权指令（核心态，只允许操作系统使用）、非特权指令		//一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令
	两种处理器状态：核心态（管态，可运行除了 陷入指令（防管指令/trap指令）以外的所有指令）、用户态（目态）
        			//PSW中0表示用户态,1表示核心态
	两种程序：内核程序（核心态，特权指令）、应用程序

操作系统内核（软件）

1.支撑功能：	
	1.时钟管理：实现计时功能
    2.中断处理：负责实现中断机制
    3.原语：(1)是一种特殊的程序，处于操作系统最底层，最接近硬件的部分
    	   (2)具有原子性
    	   (3)运行时间短，调用频繁
2.管理功能：
    对系统资源进行管理的功能：		
    (1)进程管理：进程状态管理、进程调度和分配、创建与撤销进程控制块等		
    (2)存储器管理；存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序		
    (3)设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等。
    //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

计算机系统的层次结构

操作系统的体系结构

	1.大内核：
        优点：高性能
        缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
    2.微内核：
        优点：内核功能少，结构清晰，方便维护，保证了操作系统的可靠性。
        缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

中断和异常

	1.中断机制的诞生：为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术
    2.中断的概念和作用：
        发生中断，就意味着需要操作系统介入开张管理工作（如进程切换和分配I/o设备都需要使用特权指令 ），CPU会立即进入核心态
        中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径。
        //核心态==>用户态 的切换，执行一个特权指令，把PSW的标志位改为0  
        核心态下唯一不可执行的是 陷入指令
    3.中断的分类：
        (1)内中断（来自CPU内部，与当前执行的指令有关，也称"异常"，陷入，例外）：
        		自愿中断---指令中断，如：//系统调用时使用的防管指令（又叫陷入指令，trap指令）
        		强迫中断：硬件故障（如缺页）、软件中断（整数除0）
        (2)外中断（中断，来自CPU外部，与当前执行的指令无关）：
        		外设请求：如I/O操作完成发出的中断信号
        		人工干预：如用户强行终止一个进程 
        
        内中断的另一种分类方式：(1)陷阱，陷入(trap)：有意而为之的异常，如系统调用
        					(2)故障(fault)：由错误条件引起的，如缺页
        					(3)终止（abort）：致命错误，不可恢复的，整数除0 
     
    4.中断的处理过程：
        (1)每条指令执行结束后,CPU检查是否有外部中断信号
        (2)若有外部中断信号,则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器1）
        (3)根据中断信号类型转入相应的 中断处理程序（核心态）
        (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
        即：
        	传递系统调用参数 ==> 执行陷入指令 ==> 执行相应的服务程序 ==> 返回用户态
         
      	外部中断处理过程：PC值由中断由隐指令，即硬件自动保存，而通用寄存器PSW内容由操作系统保存。
        内部异常不能被屏蔽，一旦出现立即处理。，对于非法指令、除数为0等异常，必须终止。
        

系统调用

什么是系统调用，有何作用

	操作系统提供给应用程序的接口
    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CPU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
        //凡是与资源有关的操作、会直接影响其他进程的操作，一定需要操作系统介入，即需要通过系统调用来实现，这样可以保证系统的稳定性和安全性
        
        系统调用一般执行特权指令才能完成，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
    C或者java等是通过高级语言提供的库函数间接进行系统调用
        
    不涉及系统调用的库函数： 如 	取绝对值 的函数
    涉及系统调用的库函数：如 创建一个新文件 的函数

系统调用背后的过程

	1.传递系统调用参数
    2.执行陷入指令			//用户态
    3.执行系统调用相应服务程序	//核心态
    4.返回用户程序
        
        //注意：
        		1.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，从而进入核心态,退出核心态：中断返回指令
        		2.发出系统调用是在用户态，而对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，而不可以在核心态执行的指令

其他

	1.通用操作系统使用时间片轮转调度算法，用户不需要预订运行时间
    2.输入输出指令需要中断操作，中断必须在核心态下执行。
    3.多道性是为了提高系统利用率和吞吐量而提出的。
    4.程序设计无法形成屏蔽中断指令。
    5.中断时操作系统必须提高的功能。
    6.用户通过防管中断进入核心态。
    7.进程调度由调度算法决定CPU使用权，由操作系统实现，无须硬件支持。而时钟管理、地址映射和中断系统就需要硬件的支持。
    8.进入中断处理的程序属于：操作系统程序。
    9.计算机通过硬件中断机制完成由用户态到核心态的转换。
    10.命令解释程序属于 命令接口，用户可直接使用。
    	中断处理和子程序调用都需要压栈以保护现场，中断处理一定会保护的是：程序状态字寄存器，子程序只需要保存程序断点，即该指令的	11.下一条指令的地址。