操作系统 | Rye Land

Operating System (OS) ，本质上是一种系统软件，为其他软件调用计算机硬件提供接口，方便用户使用和管理计算机资源。

基本特征

虚拟

Virtualization

操作系统将物理资源（如 CPU、Memory）转换为更通用、更强大的虚拟资源形式。

因此，操作系统有时被称为虚拟机 (Virtual machine) 或资源操理器 (Resource manager) 。

进程

Process

可以理解为操作系统在虚拟化资源的过程中的一部分。它是操作系统提供的基本的抽象，作为计算机中正在运行的程序实例，操作系统分配资源的基本单位。

线程

Thread

进程的最小单元，一个进程可以包含多个线程，每个线程共享同一个进程的资源。

并发

操作系统能同时执行多个任务

并发

Concurrency

多个事件在同一个时间间隔内发生。

可能在同一时间段内有多个任务的进程，但实际在任何时刻只有一个任务在执行。

💡

一个厨师，一边切菜一边等待水烧开，这两个任务是 “同时” 进行的。

并行

Parallel

多个事件在同一时刻同时发生。

真正的同时执行多个任务，需要多个处理器或多个核心来实现。

💡

两个厨师，同时进行不同的任务，一个人切菜，另一个人洗碗。

共享

多个用户或进程能共同使用系统资源，包括共享内存 / 文件 / CPU 等

为了保护共享资源，应该使用一些机制以避免数据竞争和不一致性。（详见并发管理）

体系结构

相关机制

系统调用

System call

操作系统提供给应用程序的一种接口。

它便于程序访问文件系统、网络等底层操作，而无需了解底层硬件。

常见的系统调用包括读写文件、创建和删除进程等。

中断

How does hardware communicate with the OS?

This is achieved using Interrupt mechanisms.

Electrical signals are sent from hardware devices to indicate that they need attention or have completed a task.

上下文切换

Context switch

上下文切换是指在多任务操作系统中，当一个进程被暂停执行以便其他进程可以运行时，保存该进程的状态，加载并运行另一个进程的状态的过程。

efficient But incurs performance overhead

系统空间

内核空间和用户空间

为了避免操作系统和关键数据被用户程序破坏，将处理器的执行状态分为用内核模式（Kernel Mode）和用户模式（User Mode）。

内核态能执行所有指令，能够访问系统内所有的存储空间。

用户态不能执行特权指令（Privileged instruction），只能访问受限的资源。

两种模式的转换

操作系统运行时，处理器主要通过系统调用在内核态和用户态之间切换。此外还可以通过异常和外部中断。