王道_作業系統 第一章 導論
0 知識總覽
1 作業系統的概念
作業系統（Operating System，OS）控制和管理整個計算機系統的硬體和軟體資源，併合理地組織排程計算機的工作和資源的分配，以提供給使用者和其他軟體方便的介面和環境。它是計算機系統中最基本的系統軟體。
直觀的例子：開啟Windows作業系統的“工作管理員”（快捷鍵：Ctrl+Alt+Del）
計算機系統的層次結構
2 作業系統的功能和目標
從以下幾個問題來分析作業系統的功能和目標：
2.1 作為系統資源的管理者
程序是一個程式的執行過程。執行前需要將該程式放到記憶體中，才能被CPU處理。
一個程序對應一個程式，但是一個程式可以同時對應多個程序。
2.2 作為使用者和計算機硬體之間的介面
命令介面、程式介面和GUI等可統稱為使用者介面。
考研幾乎不考GUI，所以王道里略過了。
聯機命令介面：使用者說一句，系統執行一句。如cmd視窗執行dos命令。
離線命令介面：使用者說一堆，作業系統執行一堆。如bat批處理檔案。
程式介面
易混淆概念：系統呼叫=系統呼叫命令=廣義指令
2.3 作為最接近硬體的層次
封裝思想
2.4 知識回顧與重要考點
3 作業系統的特徵
3.0 知識總覽
1 併發
併發：指兩個或多個事件在同一時間間隔內交替發生。這些事件巨集觀上是同時發生的，但微觀上是交替發生的。
常考易混淆概念——並行
：指兩個或多個事件在同一時刻同時發生。
作業系統的併發性指計算機系統中同時存在著多個執行著的程式。
2 共享
共享即資源共享，是指系統中的資源可供記憶體中多個併發執行的程序共同使用。
併發和共享的關係
3 虛擬
虛擬是指把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物。物理實體（前者）是實際存在的，而邏輯上的對應物（後者）是使用者感受到的。
空分複用技術
時分複用技術
4 非同步
非同步是指，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，程序的執行不是一貫到底的，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是程序的非同步性。
3.5 知識回顧與重要考點
4 作業系統的發展與分類
考研重點為綠框部分
學習提示：重點理解各階段的優點和缺點。各階段的主要優點都是解決了上一階段的主要缺點。
1 手工操作階段
紙帶打孔，紙帶機輸入/輸出資料。
主要缺點：使用者獨佔全機、人機速度矛盾導致資源利用率極低
2 批處理階段——單道批處理系統
引入離線輸入/輸出技術（用磁帶完成），並由監督程式（作業系統雛形）負責控制作業的輸入、輸出。
主要優點：緩解了一定程度的人機速度矛盾，資源利用率有所提升。
主要缺點：記憶體中僅能有一道程式執行，只有該程式執行結束之後才能調入下一道程式。CPU有大量的時間是在空閒等待I/O完成。資源利用率依然很低。
3 批處理階段——多道批處理系統
磁帶每次往記憶體中輸入多道程式。作業系統正式誕生，並引入了中斷技術，由作業系統負責管理這些程式的執行。各個程式併發執行。
主要優點：多道程式併發執行，共享計算機資源。資源利用率大幅度提升，CPU和其他資源保持“忙碌”狀態，系統吞吐量增大。
主要缺點：使用者響應時間長，沒有人機互動功能（使用者提交自己的作業之後只能等待計算機處理完成，中間不能控制自己的作業執行）
序列工作
並行工作
4 分時作業系統
計算機以時間片為單位輪流為各個使用者/作業服務，各個使用者可通過終端與計算機進行互動。
主要優點：使用者請求可以被及時響應，解決了人機互動問題。允許多個使用者同時使用一臺計算機，並且使用者對計算機的操作相互獨立，感受不到別人的存在。
主要缺點：不能優先處理一些緊急任務。作業系統對各個使用者/作業都是完全公平的，迴圈地為每個使用者/作業服務一個時間片，無法區分任務的緊急性。
5 實時作業系統
主要優點：能夠優先響應一些緊急任務，某些緊急任務不需要時間片排隊。
在實時作業系統的控制下，計算機系統接收到外部訊號後及時進行處理，並且要在嚴格的時限內處理完事件。實時作業系統的主要特點是及時性和可靠性。
6 其他幾種作業系統
4.7 知識回顧與重要考點
5 作業系統的執行機制、體系結構
5.0 知識總覽
什麼是指令？“指令”和我們平時所說的“程式碼”有什麼區別？
“指令”就是CPU能識別、執行的最基本命令（機器語言）
5.1 執行機制
兩種指令、兩種處理器狀態、兩種程式
問題：作業系統中的哪些功能應該由核心程式實現呢？ 由該問題，我們引入作業系統核心的概念。
5.2 作業系統的核心
核心是計算機上配置的底層軟體，是作業系統最基本、最核心的部分。
實現作業系統核心功能的那些程式就是核心程式。
不同的作業系統對核心功能的劃分可能不一樣。
由此引出了作業系統的體系結構的問題，其中較為經典的分法是大核心和微核心
5.3 作業系統的體系結構
5.4 知識回顧與重要考點
6 中斷和異常
6.0 知識總覽
6.1 中斷機制的誕生
為了解決上述問題，人們發明了作業系統（作為計算機的管理者），引入中斷機制，實現了多道程式併發執行。
本質：發生中斷就意味著需要作業系統介入，開展管理工作
中斷過程：
把多道程式同時放入記憶體中，各個程式併發執行。
程序1開始在使用者態執行，執行一段時間後，
在完成一系列的管理工作後，作業系統把CPU的使用權交還給程序。接下來程序2在使用者態下開始執行，當程序2執行一段時間後，
為了保證系統的安全性，輸入輸出等操作屬於特權指令，不允許使用者程序直接使用。因此，普通的應用程式只能通過系統呼叫的方式，主動要求作業系統介入工作，讓作業系統代它完成“請求輸出”操作
完成這一系列的管理工作後，作業系統再次把CPU的使用權還給使用者程序，程序3開始工作，並且輸出裝置在作業系統的要求下會並行工作。
輸出裝置工作結束之後，會向CPU發出一個“I/O完成”的中斷訊號
接下來作業系統又會把CPU的使用權還給使用者程序，程序2又重新投入執行，開始後續的工作。
6.2 中斷的概念和作用
- 當中斷髮生時，CPU立即進入核心態
- 當中斷髮生後，當前執行的程序暫停執行，並由作業系統核心對中斷進行處理
- 對於不同的中斷訊號，作業系統會進行不同的處理
發生了中斷，就意味著需要作業系統介入，開展管理工作。由於作業系統的管理工作（比如程序切換、分配I/O裝置等）需要使用特權指令，因此CPU要從使用者態轉為核心態。中斷可以使CPU從使用者態切換為核心態，使作業系統獲得計算機的控制權。有了中斷，才能實現多道程式併發執行。
6.3 中斷的分類
另一種分類方式：
6.4 外中斷的處理過程
6.5 知識回顧與重要考點
7 系統呼叫
7.0 知識總覽
7.1 系統呼叫的概念、作用
應用程式通過系統呼叫來請求作業系統的服務。
系統中的各種共享資源都由作業系統統一掌管，因此在使用者程式中，凡是與資源有關的操作（如儲存分配、I/O操作、檔案管理等），都必須通過系統呼叫的方式向作業系統提出服務請求，由作業系統代為完成。這樣可以保證系統的穩定性和安全性，防止使用者進行非法操作。