操作系統
1、操作系統概念、功能、目標
常見的操作系統：
-
Windows
windows系統是微軟公司開發的，從上世紀80年的windows1.0開始，到現在的windows10，經歷了漫長的30多年。windows系統的電腦，在個人電腦中占據着絕對主流的地位，全球市場占有率高達85%左右。最為典型的代表有：windows98、windowsXP、windows7、windows10。基本上4-5年會出現一個精品。windows電腦的優勢：操作簡單、入門快速、應用軟件眾多；windows電腦的缺點：吃內存厲害、對硬件要求高。
-
Mac Os
mac Os系統是蘋果公司開發的一款高性能的電腦操作系統，深受一些專業人士的喜愛和追捧。Mac Os 系統在圖形設計、影視制作等領域有着自己獨特的優勢，所以，我們在一些專業設計公司，大多看到的是mac Os系統的蘋果電腦。mac Os系統目前的市場占有率達到8%左右，是目前電腦市場的第二大操作系統。現在，mac Os也可以在普通的PC電腦上安裝使用，如果只是想體驗一下，可能通過windows系統的虛擬機來進行安裝。
-
Linux
Linux系統，對於絕大多數人來說，是比較陌生的。早期的Linux系統，跟微軟的dos系統一樣，是命令行字符操作模式，沒有圖片界面，所以，只有一些專業領域的高手才會涉及到，如：網站運維。后來，Linux系統也慢慢推出了圖形模式，開始在個人電腦上也能使用了，如：deepin深度系統，centos都提供有圖形界面。相對於windows系統，Linux系統占用硬件資源比較少，所以，大多數網站服務器會使用Linux作為操作系統。Linux系統是開源免費的。
-
Unix
Unix系統，是一款付費系統，是資格最老的一款電腦操作系統，誕生於上世紀70年代。Unix系統的安全性，在這幾個操作系統中是最高的。目前， Unix系統只有命令行界面，沒有圖形界面，現在大多用在企業級別的服務器上，如：銀行、電信等，很多公司的研發系統也是使用Unix系統平台的。還有一些操作系統是基於Unix系統開發的，如：蘋果的mac Os系統。
-
Android
1.1、概念
裸機 -- > 操作系統 -- > 應用程序 -- > 用戶
操作系統：
-
負責管理協調硬件、軟件等計算機資源的工作
-
為上層的應用程序、用戶提供簡單易用的服務
-
操作系統是系統軟件，而不是硬件
操作系統是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，並合理地組織調度計算機的工作和資源的分配，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環境，它是計算機系統中最基本的系統軟件。
①操作系統作為系統資源的管理者（這些資源包括軟件、硬件、文件等），需要提供什么功能？
補充知識：進程是一個程序的執行過程。執行前需要將該程序房貸內存中，才能被CPU處理、
例如：
- 找到QQ相應文件夾 （文件管理）
- 雙擊打開QQ.exe （需要把該程序相關數據存放到內存當中）
- QQ程序正常運行 （對應的進程被處理機CPU處理）
- 開始視頻聊天 （設備管理，需要將攝像頭設備分配給進程）
②操作系統作為用戶與計算機硬件之間的接口，要為上層的用戶、應用程序提供簡單易用的服務，需要實現什么功能？
命令接口：允許用戶直接使用 包括：聯機命令接口、脫機命令接口
程序接口：允許用戶通過程序間接使用 由一組系統調用組成（程序接口=系統調用）
GUI：線代操作系統中最流行的圖形用戶接口 用戶可以使用形象的圖形界面進行操作，而不需要再記憶復雜的指令。
聯機命令接口=交互式命令接口
特點：用戶說一句，系統做一句
脫機命令接口=批處理命令接口
特點：用戶說一堆，系統做一堆
③操作系統作為最接近硬件的層次，需要在純硬件的基礎上實現什么功能？
需要提供的功能和目標：實現對硬件機器的拓展
沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機。在裸機上安裝的操作系統，可以提供資源管理功能和方便用戶的服務功能，將裸機改造成功能更強、使用更方便的機器。
通常把覆蓋了軟件的機器稱為擴展機器，又稱之為虛擬機。
1.2、特征
四個特征：並發、共享、虛擬、異步
並發和共享是最基本的，二者互為存在條件
並發：指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。這些事件宏觀上是同時發生的，但在微觀上是交替發生的。
並行：指兩個或多個事件在同一時刻同時發生。
一個單核處理機（CPU）同一時刻只能執行一個程序，因此操作系統會負責多個程序交替執行（並發）
事實上，操作系統是伴隨着“多道程序技術”而出現的。因此，操作系統和程序並發是一起誕生的。
共享：即共享資源，是指系統中的資源可供內存中多個並發執行的進程共同使用。
互斥共享方式：系統中的某些資源，雖然可以提供給多個進程使用，但一個時間段內只允許一個進程訪問該資源
同時共享方式：系統中的某些資源，允許一個時間段內由多個進程"同時"對他們進行訪問
所謂“同時”，是指在宏觀上，微觀上是交替地對該進程進行訪問的。（分時共享）
並發和共享的關系：
並發性指計算機系統中同時存在多個運行着的程序。
共享性指系統中的資源可供內存多個並發執行的進程共同使用。
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，物理實體是實際存在的，而邏輯上對應物是用戶感受到的。
一個程序需要放入內存並給它分配CPU才能執行
時分復用技術（虛擬處理器）：虛擬技術中的"時分復用技術"，微觀上處理機在各個微小的時間段內交替着為各個進程服務。
空分復用技術（虛擬存儲器技術）：
沒有並發性就談不上虛擬性。
異步：是指在多道程序環境下，允許多個程序並發執行，但由於資源有限，進程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，這就是進程的異步性。
顯然，如果失去了並發性，則系統只能串行地處理各個進程，每個進程的執行會一貫到底。只有系統擁有並發性，才有可能導致異步性
1.3、發展與分類
（1）手工操作階段
主要缺點：用戶獨占全機，人機速度矛盾導致計算機資源利用率極低。
（2）批處理階段
單道批處理系統：引入脫機輸入/輸出技術，並監督程序負責控制作業的輸入、輸出
主要優點：緩解了一定程度的人及速度矛盾，資源利用率有所提升。
主要缺點：內存中僅能有一道程序運行，只有該程序運行結束之后才能調入下一道程序。CPU有大量的時間是在空閑等待 I/O完成。資源利用率依然很低。
多道批處理系統：
主要優點：多道程序並發執行，共享計算機資源。資源利用率大幅提升，CPU和其他資源保持忙碌狀態，系統吞吐量增大。
主要缺點：用戶響應時間長，沒有人機交互功能（用戶提交自己的作業之后就只能等待計算機處理完成，中間不能控制自己的 作業執行）
分時操作系統：計算機以時間片為單位輪流為各個用戶/作業服務，各個用戶可以通過終端與計算機進行交互。
主要優點：用戶請求可以被即時響應，解決了人機交互問題。允許多個用戶同時使用一台計算機，並且用戶對計算機的操作相 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。操作系統對各個用戶/作業都是完全公平的，循環的為每個用戶/作業服務一個時間 片，不區分任務的緊急性。
實時操作系統：
主要優點：能夠優先響應一寫緊急任務，某些緊急任務不需時間片排隊。
在實時操作系統的控制下，計算機系統接收到外部信號后及時進行處理，並且要在嚴格的時限內處理完事件。實時操作系統的主要特點是及時性和可靠性。
1.4、運行機制和結構
什么是指令？
一條高級代碼翻譯過來可能對應多條指令。指令就是處理器（CPU）能識別、執行的最基本命令。
兩種指令：
特權指令：如內存清零指令（不允許用戶程序使用的一些高級指令）
非特權指令：如普通的運算指令
兩種處理器狀態：用程序狀態字寄存器（PSW）中的某些標志位來識別當前處理器處於什么狀態。如0為用戶態，1為核心態
用戶態（目態）：此時CPU只能執行非特權指令
核心態（管態）：此時CPU可以執行特權、非特權指令
兩種程序：
內核程序：操作系統的內核程序是系統的管理者，既可以執行特權指令，也可執行非特權指令，運行在核心態。
應用程序：為了保證系統的安全運行，普通應用程序只能執行非特權指令，運行在用戶態。
操作系統中哪些功能應該由內核程序實現呢？