408 操作系统第一章

并发（Concurrency）
- 定义：两个或多个事件在同一时间间隔内发生
- 易混辨析：并行是两个事件在同一时刻真正同时发生；单 CPU 系统只有并发，多核 / 多 CPU 才能实现并行
- 多道程序通过调度切换，让 CPU 与 I/O 设备并行工作，提升资源利用率
共享（Sharing）
- 互斥共享：临界资源（打印机、变量、表格）同一时间段仅允许一个进程访问
- 同时共享：宏观上同时访问，微观分时交替（如只读磁盘文件、可重入代码）
虚拟（Virtual） 通过时分复用（如 CPU 时间片轮转）、空分复用（如虚拟内存），将一个物理实体映射为多个逻辑实体，让用户感觉独占资源。
异步（Asynchronism） 进程以不可预知的速度断续推进，走走停停；只要程序运行环境正确，结果就具备可再现性。

二、操作系统发展历程

1. 手工操作与脱机 I/O

手工阶段：用户独占整机，CPU 大量时间等待人工操作，资源利用率极低
脱机 I/O：引入外围机完成 I/O 准备，减少 CPU 空闲时间，提升 I/O 效率

2. 批处理系统

单道批处理：作业自动顺序执行，内存始终只有一道程序；解决了人工干预问题，但 CPU 利用率仍低
多道批处理 ：内存同时驻留多道程序，某道程序 I/O 阻塞时立即切换另一道运行
- 特点：多道、宏观并行、微观串行
- 核心解决问题：处理机调度、内存分配保护、I/O 调度、文件组织与安全
- 优点：资源利用率高、系统吞吐量大
- 缺点：无交互能力，响应时间长

3. 分时操作系统

将 CPU 时间划分为很短的时间片，轮流分配给各终端用户使用。

核心特征：多路性、交互性、独立性、及时性
核心目标：快速响应用户，支持多用户同时联机交互
时间片固定时，用户数越多，响应时间越长

4. 实时操作系统

为严格时间限制的关键任务设计，必须在规定时限内完成处理。

分类：硬实时系统（绝对不能超时，如飞控、机床控制）、软实时系统（偶尔超时可容忍，如订票、股票交易）
核心要求：确定性、高可靠性、强实时性

5. 网络与分布式操作系统

网络操作系统：实现多机通信与资源共享，用户需主动操作远程资源
分布式操作系统：多机协同完成同一任务，对用户透明，像单一系统；核心是分布性、并行性、透明性

6. 微机操作系统分类

单用户单任务：MS-DOS
单用户多任务：Windows 桌面版
多用户多任务：UNIX、Linux 服务器版、Windows Server

三、操作系统运行环境（核心考点）

1. 操作系统内核

现代 OS 采用分层架构，与硬件紧密相关、高频执行的核心组件常驻内存，称为内核。

支撑功能：时钟管理、中断机制、原语（原子操作，关中断保证执行不被打断）
资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理

2. 处理机双重模式：用户态与内核态

为保护系统安全，CPU 设置两种运行模式，通过硬件标志位区分：

内核态（管态）：可执行全部指令，访问全部地址空间；执行操作系统内核代码
用户态（目态）：只能执行非特权指令，访问受限地址空间；执行用户程序代码

特权指令与非特权指令

特权指令（必须内核态执行）：直接操作硬件、修改系统全局状态的指令，如 I/O 指令、开关中断、修改 PSW、设置中断向量表、置时钟、停机指令
非特权指令（用户态可执行）：普通运算、数据读写、跳转等不影响系统安全的指令

易错点：访管指令（Trap / 陷入指令）在用户态执行，其作用是主动触发异常，让 CPU 自动切换到内核态，是系统调用的入口。

状态切换

用户态 → 内核态：中断、异常、访管指令触发；由硬件自动完成模式切换，并非由软件指令直接修改状态字
内核态 → 用户态：通过中断返回指令（特权指令）完成

3. 中断与异常

用户程序进入内核的唯一合法途径是中断或异常，是现代操作系统并发与调度的基础。

定义与分类

外中断（中断） ：来自 CPU 外部的硬件事件，如 I/O 完成、时钟中断
- 可屏蔽中断（INTR）：如普通 I/O 中断，可通过中断屏蔽字忽略
- 不可屏蔽中断（NMI）：如电源掉电，必须立即处理
内中断（异常） ：来自 CPU 执行指令内部的事件
- 故障（Fault）：可恢复，如缺页、除零；处理完返回当前指令重新执行
- 自陷（Trap）：主动触发，如系统调用的访管指令
- 终止（Abort）：严重错误，程序无法继续运行，如硬件故障

中断处理 vs 子程序调用

对比维度	中断处理	子程序调用
触发时机	随机、异步	事先安排、同步
主体关系	中断程序与被中断程序是主从关系	同一程序内的调用
实现方式	需要硬件电路支持	纯软件实现
入口地址	由中断向量表提供	由 CALL 指令指定
优先级	多中断需优先级裁决	无优先级

4. 系统调用

系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，是请求内核服务的唯一合法方式，本质是特殊的过程调用。

执行过程（四步）

传递系统调用号与参数，通过寄存器或栈传入
执行陷入（Trap）指令，CPU 由用户态切换至内核态，保存现场
内核根据系统调用号查找中断向量表，定位并执行对应服务例程
恢复现场，返回用户态，继续执行用户程序

与普通过程调用的区别

运行状态不同：普通调用全程用户态；系统调用会切换内核态
状态切换：系统调用需陷入内核，由硬件完成模式切换
返回机制：普通调用直接返回；系统调用可能引发调度，不一定立即返回
嵌套深度：系统调用嵌套深度受内核栈限制

四、操作系统结构

1. 分层结构

将操作系统划分为若干层，底层为硬件、顶层为用户接口，仅上层调用下层，单向依赖。

优点：便于调试与验证，易于扩展维护
缺点：合理分层困难，跨层调用开销大，运行效率低

2. 模块化结构

将 OS 拆分为若干独立模块，定义模块间接口，通过接口通信。

评价标准：高内聚、低耦合
优点：灵活性强、便于扩展开发
缺点：接口设计难度高，模块间依赖复杂，可靠性弱于分层结构

3. 宏内核 vs 微内核

维度	宏内核（单内核）	微内核
核心设计	进程、内存、文件、驱动等全部功能在内核态运行	仅保留最基础功能在内核，其余服务移至用户态
通信方式	直接函数调用	靠进程间通信（IPC）传递消息
性能	高，调用开销小	较低，IPC 与上下文切换开销大
可靠性	较低，单个模块崩溃可能导致全系统宕机	高，单个服务崩溃不影响内核
扩展性	差，修改需重新编译内核	好，新增服务无需改动内核
代表系统	Linux、早期 Windows	QNX、Fuchsia、HarmonyOS NEXT

微内核核心保留三类机制：与硬件紧密相关的底层处理、基本资源管理、客户与服务器的通信支持。

4. 外核结构

内核仅负责资源隔离与分配，直接向用户层暴露硬件资源；资源管理由用户态库完成，减少抽象开销，性能更高。

五、操作系统引导

操作系统引导是开机后加载内核的完整流程： 加电 → BIOS/UEFI自检（POST） → 读取硬盘MBR主引导记录 → 执行Bootloader（如GRUB） → 加载操作系统内核到内存 → 内核初始化、创建核心进程 → 启动shell/图形界面

BIOS 固化在 ROM 中，是开机执行的第一段代码
MBR 位于硬盘第一个扇区，包含引导代码与分区表
Bootloader 负责将内核从磁盘读入内存并启动

六、虚拟机基础

虚拟机监控器（VMM/Hypervisor）将物理硬件虚拟化为多套逻辑硬件，每台虚拟机可独立运行完整操作系统。

第一类虚拟机（裸金属型）：VMM 直接运行在硬件之上，性能高，用于服务器（如 VMware ESXi、Xen）
第二类虚拟机（宿主型）：VMM 运行在普通宿主操作系统之上，使用便捷（如 VMware Workstation、VirtualBox）
核心优势：资源隔离、多系统共存、快照迁移、提升硬件利用率

七、高频错题 & 易混避坑清单

以下为刷题中高频出错的核心结论，是第一章选择题的主要丢分点：

库函数 ≠ 系统调用：库函数运行在用户态，部分库函数封装了系统调用；纯计算类库函数不涉及内核，不能等同于操作系统接口。
并发 ≠ 并行：并发是同一时间间隔交替运行，并行是同一时刻同时运行；单 CPU 只有并发没有并行。
访管指令执行状态：访管指令本身在用户态执行，它的作用是触发异常、进入内核态；不能在内核态执行。
用户态→内核态的切换由硬件完成：不是由访管指令直接修改 PSW，而是 CPU 检测到陷入指令后自动完成模式切换。
分时系统的核心目标是快速响应用户，而非提高系统吞吐率；吞吐率是批处理系统的追求。
多道程序设计的技术前提是中断机制：没有中断就无法实现 I/O 阻塞时的进程切换。
中断向量表采用数组结构，通过中断号直接索引，访问速度最快。
微内核的优势是可靠、安全、易扩展，劣势是性能开销大；不能认为微内核性能一定优于宏内核。
操作系统不管理源程序的编译逻辑：编译器是上层应用软件，不属于 OS 的管理范畴。
进程数越多，CPU 利用率并非越高：进程过多会导致频繁切换，上下文开销增大，利用率反而下降。
缺页、除零属于异常（内中断），不属于外中断；时钟中断、I/O 完成中断属于外中断。
原语具有原子性，执行期间不允许被中断，通过关中断实现。