计算机操作系统(一)概述

操作系统基本特征

1. 并发

并发性是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序,而并行性则指同一时刻能运行多个指令。

并行需要硬件支持,如多流水线或者多处理器。

操作系统通过引入进程和线程,使得程序能够并发运行。

2. 共享

共享是指系统中的资源可以供多个并发进程共同使用。

有两种共享方式:互斥共享和同时共享。

互斥共享的资源称为临界资源,例如打印机等,在同一时间只允许一个进程访问,需要用同步机制来实现对临界资源的访问。

3. 虚拟

虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。

主要有两种虚拟技术:时分复用技术和空分复用技术。例如多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术,让每个进程轮流占有处理器,每次只执行一小个时间片并快速切换。

4. 异步

异步指进程不是一次性执行完毕,而是走走停停,以不可知的速度向前推进。

## 操作系统基本功能

1. 进程管理

进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。

2. 内存管理

内存分配、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。

3. 文件管理

文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。

4. 设备管理

完成用户的 I/O 请求,方便用户使用各种设备,并提高设备的利用率,主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虛拟设备等功能。

系统调用

如果一个进程在用户态需要使用内核态的功能,就进行系统调用从而陷入内核,由操作系统代为完成。

Linux 的系统调用主要有以下这些:

 

TaskCommands
进程控制fork(); exit(); wait();
进程通信pipe(); shmget(); mmap();
文件操作open(); read(); write();
设备操作ioctl(); read(); write();
信息维护getpid(); alarm(); sleep();
安全chmod(); umask(); chown();

大内核和微内核

1. 大内核

大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。

由于各模块共享信息,因此有很高的性能。

2. 微内核

由于操作系统不断复杂,因此将一部分操作系统功能移出内核,从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务,相互独立。

在微内核结构下,操作系统被划分成小的、定义良好的模块,只有微内核这一个模块运行在内核态,其余模块运行在用户态。

因为需要频繁地在用户态和核心态之间进行切换,所以会有一定的性能损失。

中断分类

1. 外中断

由 CPU 执行指令以外的事件引起,如 I/O 结束中断,表示设备输入/输出处理已经完成,处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。

2. 异常

由 CPU 执行指令的内部事件引起,如非法操作码、地址越界、算术溢出等。

3. 陷入

在用户程序中使用系统调用。

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