操作系统导论-第2章-操作系统介绍
第二章 操作系统介绍
程序运行时会发生什么？
- 从内存中获取（fetch）一条指令；
- 对其进行解码（decode）；
- 执行（execute）；
- 重复上述过程。
操作系统（Operating System, OS）：让程序运行变得容易，允许程序共享内存，让程序与设备交互。又称为虚拟机（virtual machine）。
虚拟化（virtualization）：操作系统将物理（physical）资源（处理器，内存，硬盘等）转化为更通用、更强大且更易于使用的虚拟形式。
操作系统提供了一些接口（[[操作系统导论 第4章 抽象：进程#4.2 进程API|API]]），以及几百个系统调用（system call）让应用程序调用。即提供了一个标准库（standard library）。
2.1 虚拟化CPU
在硬件的一些帮助下，操作系统负责提供一种假象（illusion），即操作系统拥有非常多的虚拟CPU的假象。
虚拟化CPU：将单个CPU（或其中一小部分）转化为看似无限数量的CPU，从而让许多程序看似同时运行。
两个序想要在特定时间运行，应该运行哪个？这个问题由操作系统的策略（policy）来回答。在操作系统的许多不同的地方采用了一些策略，来回答这类问题，所以我们将在学习操作系统实现的基本机制（mechanism）（例如一次运行多个程序的能力）时研究这些策略。因此，操作系统承担了资源管理器 （resource manager）的角色。
[[操作系统导论 第4章 抽象：进程]]
2.2 虚拟化内存
内存就是一个字节数组。要读取（read）内存，必须制定一个地址（address），才能访问数据。要写入（write）或更新（update）内存，还必须要写入给定地址的数据。每个进程访问自己私有的虚拟地址空间（virtual address space）（有时称为地址空间address space），操作系统一某种方式映射到机器的物理内存上。
2.3 并发
2.4 持久性
2.5 设计目标
- 建立一些抽象（abstraction），让系统方便和易于使用；
- 提供高性能（performance），最小化操作系统的开销（minimize the overhead）；
- 在应用程序之间以及在OS和应用程序之间提供保护（protection），让进程彼此隔离（isolation）是保护的关键；
- 操作系统必须不间断运行，提供高度的可靠性（reliability）
- 能源效率，安全性，移动性……
2.6 简单历史
早期操作系统：只是一些库
批（batch）处理：线把一些工作准备好，然后由操作员以“分批”的方式运行。一次运行一个程序。
超越库：保护
系统调用（system call）：添加一些特殊的硬件指令和硬件状态，让向操作系统过度变为更正式的、受控的过程。
系统调用和过程调用之间的关键区别在于，系统调用将控制转移（跳转）到OS中，同时提高硬件特权级别（hardware privilege level）。用户应用程序以所谓的[[操作系统导论 第6章 机制：受限直接执行#^82a54b|用户模式（user mode）]]运行，这意味着硬件限制了应用程序的功能。在发起系统调用时［通常通过一个称为陷阱（trap）的特殊硬件指令］，硬件将控制转移到预先指定的陷阱处理程序（trap handler），并同时将特权级别提升到[[操作系统导论 第6章 机制：受限直接执行#^2ba595|内核模式（kernel mode）]]以完全访问系统的硬件，因此可以执行诸如发起I/O请求或为程序提供更多内存等功能。当操作系统完成请求的服务时，它通过特的陷阱返回（return-from-trap）指令将控制权交还给用户，该指令返回到用户模式，同时将控制权交还给应用程序，回到应用离开的地方。
多道程序时代
操作系统将大量作业加载到内存中并在它们之间快速切换，从而提高CPU利用率。
在I/O进行和任务中断时，要支持多道程序和重叠运行。内存保护、并发等问题变得关键。
摩登时代
个人计算机。