操作系统概述

1. 操作系统的概念、特征、功能

概念：控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。
特征：并发、共享、虚拟、异步。
- 并发。多个事件在同一个时间间隔内（时间段）发生，通过分时（引入进程）实现。
- 共享。系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。分为互斥共享和同时访问两种方式。前者指进程独占资源，此时的独占资源也被称为临界资源；举例：物理设备、软件的栈、变量等。后者指宏观上多进程使用同一个资源，但微观上可能仍然是交替使用（分时共享）；举例：磁盘设备的多进程读入。
- 虚拟。一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。比如一个CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，让每一个终端用户都感觉到有一个CPU在专门为他服务。举例：虚拟CPU、虚拟内存、虚拟I/O外设等。
- 异步。因为进程的并发执行，所以可能导致进程产生与时间有关的错误（执行顺序等），但操作系统必须保证，只要运行环境相同，都必须获得相同的结果。
功能：处理机管理、存储器管理、设备管理（主要是I/O请求）、文件管理、为用户提供接口（命令接口和程序接口，命令接口又分为联机命令接口和脱机命令接口，比如终端命令等，程序接口则是由系统调用（请求系统服务）组成，比如键鼠的键入或点击的交互等）。

2. 库函数和系统调用的区别和联系

系统调用是操作系统的一部分，是内核提供给用户的程序接口，运行在内核空间（内核态）中。
库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间（用户态）中，许多库函数都会使用系统调用来实现功能。
没有使用系统调用的库函数，执行效率通常比使用系统调用的高。因为使用系统调用时，需要上下文的切换（变量、寄存器的值等进程上下文；硬件变量、参数等中断上下文）以及用户态向核心态的转换。

[扩展]用户态转内核态的3种主要方式

① 系统调用（System Call）。用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，会触发trap指令，如Linux的int0x80。比如fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。系统调用的核心机制是OS为用户开放的中断来实现，凡是与资源有关的操作，都要经过系统调用。
② 异常（也叫内中断、例外或陷入trap）。CPU在执行用户态的某程序时，发生了某异常，这时会触发当前进程切换到处理该异常的内核相关程序中，也就转到了内核态。分为故障fault、陷阱trap和终止abort三类。例如缺页异常。
③ I/O设备的中断。当外设完成用户的请求的操作时，会向CPU发送中断信号，这时CPU会暂停当前的指令A，转而执行与中断信号对应的处理程序。如果指令A是用户态下的程序，那么这个转换过程就发生了由用户态到内核态的切换，例如硬盘读写操作的完成。
第一种System call是进程主动发起的，后两种是被动的。
以下内容的指令在内核态：
- 与硬件关联较密切的模块，诸如时钟管理、中断处理、设备驱动等；
- 其次是运行频率较高的程序：进程管理、存储器管理、设备管理等。
访管中断：操作系统不允许系统直接执行某些“危险性高”的指令，故用户态运行这些指令的时候会转换到内核态去运行。访管指令不是特权指令（因为是用户态使用的）。流程：当用户态的用户程序使用访管指令时，系统根据访管指令的操作数执行访管中断处理程序，该程序将按照系统调用的操作数和参数转到相应的例行子程序，完成服务功能后，退出中断，返回到用户程序断点继续执行。
时钟管理：计时功能；用以实现进程切换的时钟中断功能。
原语：被调用频繁、完成一个规定操作的、具有原子性的操作系统最底层的小程序。
用来登记状态信息（上下文）的数据结构主要有：作业控制块、进程控制块、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等。
内核态指令包括：系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。
特权指令，是指操作系统或其他系统软件的指令：清内存、置时钟、分配系统资源、修改虚存的段表或页表、修改用户的访问权限等。用户态下只能使用非特权指令，内核态下可以使用除访管指令外的所有指令。

3. 操作系统的发展

操作系统出现前：手工操作阶段、批处理阶段（单道、多道）。多道批处理系统：多个程序同时进入内存并运行，当某程序因I/O请求暂停运行时，CPU立刻转去另一个程序，没有使用机制来解决瓶颈问题。多道优点：资源利用率高，多道程序共享资源，系统吞吐量大；缺点：用户响应时间长，不提供人机交互能力。
操作系统出现后：分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统、个人计算机操作系统。
- 分时操作系统：在一台主机上连接了多个终端，允许许多用户同时通过自己的终端，以交互方式独立地使用计算机。技术上把CPU运行时间分成时间片，CPU被轮流分配到各联机作用使用，使用户的请求得到及时的响应。
- 实时操作系统：与分时操作系统底层原理相同，但要求在规定时间内完成特定功能。特点：及时可靠具有一定的紧迫性，有多种划分方式：
  - 按任务执行是否有周期性变化：周期性实时任务和非周期性实时任务。前者由外设周期性发送激励信号（即某一类电路信号/输入信号，如时钟和复位信号）给计算机，要求它按指定周期执行；后者所发的激励信号无明显的周期性（如文件读写），但必须联系一个截止时间（用以控制运行的实现）。
  - 按截止时间的要求：硬实时任务和软实时任务。字面意思不解释。
- 网络操作系统和分布式计算机系统：网络中多台计算机结合起来，统一使用管理。特点：分布式和并行性。条件：
  - 以通信的方式实现信息交换；
  - 每台计算机地位同等，没有主从关系；
  - 每台计算机上的资源为所有用户共享；
  - 任意若干台计算机可以组成子系统，并且能够重构；
  - 任何工作都能分布到几台计算机中，由它们并行工作、协同完成（分布式计算机系统的独有特点，网络操作系统没有此特点）。
- 个人计算机操作系统：目前应用最为广泛，常见win、Linux、Macintosh等。此外还有嵌入式、服务器、多处理器操作系统等。