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# 计算机操作系统 - 概述
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<!-- GFM-TOC -->
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* [计算机操作系统 - 概述](#计算机操作系统---概述)
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* [基本特征](#基本特征)
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* [1. 并发](#1-并发)
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* [2. 共享](#2-共享)
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* [3. 虚拟](#3-虚拟)
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* [4. 异步](#4-异步)
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* [基本功能](#基本功能)
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* [1. 进程管理](#1-进程管理)
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* [2. 内存管理](#2-内存管理)
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* [3. 文件管理](#3-文件管理)
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* [4. 设备管理](#4-设备管理)
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* [系统调用](#系统调用)
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* [宏内核和微内核](#宏内核和微内核)
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* [1. 宏内核](#1-宏内核)
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* [2. 微内核](#2-微内核)
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* [中断分类](#中断分类)
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* [1. 外中断](#1-外中断)
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* [2. 异常](#2-异常)
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* [3. 陷入](#3-陷入)
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<!-- GFM-TOC -->
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## 基本特征
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### 1. 并发
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并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，而并行则指同一时刻能运行多个指令。
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并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
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操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。
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### 2. 共享
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共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。
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有两种共享方式：互斥共享和同时共享。
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互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时刻只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。
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### 3. 虚拟
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虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。
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主要有两种虚拟技术：时（时间）分复用技术和空（空间）分复用技术。
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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，让每个进程轮流占用处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。
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虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。
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### 4. 异步
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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。
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## 基本功能
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### 1. 进程管理
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进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
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### 2. 内存管理
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内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。
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### 3. 文件管理
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文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。
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### 4. 设备管理
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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。
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主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。
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## 系统调用
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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。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/tGPV0.png" width="600"/> </div><br>
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Linux 的系统调用主要有以下这些：
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| Task | Commands |
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| :---: | --- |
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| 进程控制 | fork(); exit(); wait(); |
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| 进程通信 | pipe(); shmget(); mmap(); |
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| 文件操作 | open(); read(); write(); |
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| 设备操作 | ioctl(); read(); write(); |
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| 信息维护 | getpid(); alarm(); sleep(); |
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| 安全 | chmod(); umask(); chown(); |
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## 宏内核和微内核
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### 1. 宏内核
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宏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。
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由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
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### 2. 微内核
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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。
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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。
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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。
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<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/2_14_microkernelArchitecture.jpg"/> </div><br>
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## 中断分类
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### 1. 外中断
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由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 完成中断，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。
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### 2. 异常
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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。
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### 3. 陷入
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在用户程序中使用系统调用。
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