【操作系统】 1、计算机系统概述-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【操作系统】 1、计算机系统概述。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

【操作系统】 1、计算机系统概述

1.1 操作系统的基本概念

从操作系统的角度上来划分计算机体系结构：
【操作系统】 1、计算机系统概述
这里注意一点：编译器属于应用程序。

操作系统：是指控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织、调度计算机的工作与资源分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。
操作系统是计算机系统最基本的系统软件。(软件的分类：系统 /应用)

1.1.2操作系统的特征

并发
共享
虚拟
异步

1.并发

我们在理解并发时，要建立两个前提：多道程序环境和单处理机环境。

同时也要区分并发（concurrence）和并行（parallel）的区别。

  多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而在每一时刻，单处理机环境中，实际只能有一个程序在执行。
从微观角度上说，这些程序其实是分时交替执行的。
操作系的并发实际上是通过分时得以实现的。这其实是时分复用的一种表现。

//TODO后续会补充甘特图

2. 共享

系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

java 的多线程模型以及JVM中对这种资源共享的场景使用非常多，比如在JVM中的运行时数据区，粗略的可以分为线程共享的和线程独占的区域
线程共享区包括：
--- 堆，方法区
线程独占的区域包括：
---JVM栈(局部变量表，操作数栈，方法返回地址，动态链接，其他信息)，本地方法栈，PC寄存器。这里补充一句：堆内的Eden区根据不同的JVM 可能会分出一部分作为TLAB，而它是线程私有的。

资源共享会存在很多内存安全问题，这些等到进程调度和进程同步问题再继续深入。

共享分为两种方式：

互斥共享
一段时间内，只允许一个进程访问该资源。比如打印机，磁带。我们称这种资源为临界区。
同时访问
在同一时间段内由多个进程 "同时"访问，这里的"同时"是宏观上的，微观上仍然是并发的。

总结：没有真正的共享(即同一时刻，多个进程一起去访问某一资源，为什么？其实一起读还好，如果微观上，同时修改某一资源，就会造成ABA，脏读，等乱七八的问题，这又涉及到原子性问题，暂时不深入)。

并发和共享是 OS 最基本的两个特征，两者之间互为存在的条件：

资源共享是以程序并发为条件的
系统若不能堆资源共享提供有效的管理，则必会影响程序的并发执行

3.虚拟

把物理上的一个实体变为若干个逻辑上的对应物。

比如一个处理器，通过划分时间片的方式，让多个进程在一段时间内，交替运行，形成了一种多道程序"同时"工作的错觉。而每个用户感觉都有一个处理器(CPU) 都在为自己服务，这就是时分复用技术，称之为 虚拟处理器。

再比如，我们一个游戏的大小 50G，而内存只有8G，不可能把游戏全部资源一股脑加载到内存中，通过虚拟存储技术，进行内存的调度，扩充，让终端用户觉得更大的内存容量，这其实就是一种虚拟存储器。这是一种空分复用技术。

4.异步
先啰嗦一句：
我们在写Java的时候，涉及到线程竞争临界资源时，最简单的办法，就是通过一个关键字synchronized 来实现线程互斥访问。
那么请问，这个单词实际含义是什么？
千万不要搞混这两个单词：
synchronized ：同步。（解决异步性产生错误的一种手段，它的实现本质其实是管程）
Asynchronism：异步。

那么到底什么是操作系统的异步？
多道程序环境允许多个程序的并发执行，但是由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。(具体还是要通过进程调度算法去进一步理解，所谓的不可预知性)

这就导致一个问题——幂等性。
简单来说，就是异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，可能会导致进程产生与时间相关的错误(比如我们希望ABC三个进程的执行顺序是确定的，但是每次程序运行结果却不一致，或者对全局变量访问的顺序不一致，导致程序出错)。所以，保证操作系统在相同的运行环境下，多次运行进程后得到的结果是相同的。

1.1.3 操作系有的目标和功能

处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理
OS还需要向用户提供接口
OS 还可以扩充机器

1.OS作为计算机系统的资源管理者

处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理

2.OS作为用户和计算机硬件之间的接口

命令接口、
- 联机命令接口（交互式命令接口）
  适用于分时或实时操作系统比如我们常见的Linux shell 命令行的单一命令输入，执行。
- 脱机命令接口(批处理命令接口)
  适用于批处理系统，一次执行多道命令
程序接口
程序接口由一组系统调用(也称为广义指令)组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其服务。如各种外设，申请分配和回收内存。

3.OS实现对计算机资源的扩充

扩充裸机。

1.2 操作系统的发展与分类

【操作系统】 1、计算机系统概述

错题汇总：
1、分时系统的一个重要性能是系统响应时间，对操作系统的（C）因素进行改进，有利于改善系统的响应时间。
A 加大时间片
B 采用静态页式管理
C 优先级+非抢占式调度算法
D 代码可重入

解析：优先级区分不同的作业、进程，有利于系统从后备队列或就绪队列中优先选取重要的任务进行处理，非抢占式更避免了抢占式造成次要作业，进程的饥饿现象。

2、分时系统追求的目标：A
A、比较快速的响应用户 B、提高吞吐量 C、充分利用内存 D、充分利用IO

解析：思考一个问题，为什么会出现实时系统？直白的说，就是分时系统，不能在规定时间内，完成用户想要的处理结果。一个字，就是慢。
批处理系统其实已经达到吞吐量高，系统内存、资源利用率高的条件了。

PS：当你解决一个问题陷入僵局，跳出这个圈子，看一看它的上下文环境，背景环境。

1.3 操作系统运行环境

1.3.1 处理器的运行模式

【操作系统】 1、计算机系统概述

两种程序

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：

操作系统内核程序
程序自编的应用程序

前者是后者的管理者，因此需要执行一些特权指令，而被管理的应用程序，出于安全考虑，不能执行这些指令。

两种指令

1.特权指令
用户不可以直接使用，如IO指令，内存清零，这些指令影响重大，只允许管理者——操作系统内核来执行。

2.非特权指令
允许用户直接使用的指令，比如加法指令、减法指令 load、store、 inc 等等,它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，这样也是为了防止用户程序对系统造成破坏。

这里我们补充一下 一条程序到底是如何运行起来的。

我们通过高级语言编写的语言，不管是Java 还是C++，通过编译器将其进行预处理->编译->汇编->链接  等操作，最终根据不同操作系统生成不同格式的可执行文件，比如window 的.exe 。这个具体过程究竟是什么样的呢？


简单来说：
高级语言通过一系列词法分析语义分析等操作，再通过编译器，将从我们能理解的高级语言，转换成 中间语言助记符号(汇编指令，指令)，再从这种中间语言 转换成 机器码 (二进制1010101。。)，然后逐条的将这些机器码放到CPU上执行。