第二章

阶段

串行处理
简单批处理
多道批处理
分时系统（当前阶段）

批处理系统

概念

批处理Batch Processing：用户将作业提交给操作员，操作员将多个作业收集成一批，然后一次性输入计算机进行处理
作业Job：用户提交给计算机的一项任务，由程序、数据和控制信息组成

特点

脱机操作：用户与计算机无直接交互，作业提交后等待结果
自动过渡：作业之间自动转换，减少人工干预
批量处理：一次性处理一组作业，提高效率

优点

提高CPU利用率（减少作业切换的人工延迟）
实现作业的自动过渡和调度

缺点

无交互能力，提交后无法干预
平均周转时间长（作业需等待整个批次处理）
CPU和IO设备利用率低（CPU与IO设备无法并行）

分时系统

能处理多个交互式作业
处理器时间在多个用户之间共享TODO补充例子
多个用户通过终端同时访问系统

	多道批处理系统	分时系统
原则	最大化处理器使用	最小化响应时间
指令来源	Job Control Language	通过终端输入的命令

graph TB
    subgraph 终端设备
        A[物理终端<br/>键盘+显示器]
    end

    subgraph 终端模拟器
        B[终端模拟器<br/>Terminal Emulator]
    end

    subgraph Shell命令行解释器
        C[Shell<br/>命令解释器]
    end

    subgraph 具体实现
        D[Windows]
        E[Linux/Mac]
    end

    A --> B
    B --> C
    C --> D
    C --> E

    D --> D1[CMD]
    D --> D2[PowerShell]
    E --> E1[bash]
    E --> E2[zsh]
    E --> E3[fish]

    style A fill:#f9f,stroke:#333
    style B fill:#ff9,stroke:#333
    style C fill:#9ff,stroke:#333

终端：输入输出设备，本身无计算能力
终端模拟器：软件模拟传统终端（如PowerShell窗口、Windows Terminal）
Shell：命令解释器，用户与内核之间的接口
- Bash：Bourne Again SHell，Linux默认
- Zsh：Z Shell，功能丰富
- Fish：Friendly Interactive Shell
- Dash：Debian Almquist Shell，轻量快速
TTY：Teletype，电传打字机，泛指终端设备
- PTY：Pseudo Terminal，伪终端（软件模拟）
- PTS：Pseudo Terminal Slave，伪终端从设备
- Console：控制台，系统物理终端

graph TB
    subgraph 硬件层
        H[硬件设备<br/>键盘+显示器]
    end

    subgraph 终端层
        TTY[TTY<br/>电传打字机/终端]
        PTY[PTY<br/>伪终端]
        PTS[PTS<br/>伪终端从设备]
        Console[Console<br/>控制台]
    end

    subgraph Shell概念
        CLI[CLI<br/>命令行界面]
        Shell[Shell<br/>命令解释器]
    end

    subgraph Shell实现
        Bash[Bash]
        Zsh[Zsh]
        Fish[Fish]
        Dash[Dash]
    end

    H --> TTY
    TTY --> PTY
    PTY --> PTS
    TTY --> Console

    TTY --> Shell
    CLI --> Shell
    Shell --> Bash
    Shell --> Zsh
    Shell --> Fish
    Shell --> Dash

    style Shell fill:#9ff,stroke:#333

CTSS

定义：麻省理工1961年开发的第一个分时操作系统
特点：
- 首次实现多用户交互式计算
- 使用磁盘作为内存的扩充（虚拟内存雏形）
- 每个用户分配一个时间片，轮流使用CPU

Time Slicing（时间片）

定义：CPU时间被划分为多个固定长度的时间片，每个进程轮流使用一个时间片
工作方式：
1. 调度程序选择就绪队列中的一个进程
2. 分配一个时间片（如100ms）
3. 时间片用完，调度程序切换到下一个进程
4. 被抢占的进程放回就绪队列末尾

sequenceDiagram
    participant Q as 就绪队列
    participant CPU as CPU
    participant S as 调度程序

    loop 时间片轮转
        S->>Q: 1. 选择队首进程P1
        Q-->>S: 返回P1
        S->>CPU: 2. 分配时间片(100ms)
        CPU->>CPU: 执行P1
        Note over CPU: 时间片用完
        CPU->>S: 时间片到期中断
        S->>Q: 4. P1移到队尾
        S->>Q: 1. 选择队首进程P2
        Q-->>S: 返回P2
        S->>CPU: 2. 分配时间片(100ms)
        CPU->>CPU: 执行P2
    end

优点：
- 响应时间短（用户感觉自己在独占计算机）
- 公平性好（所有进程轮流执行）
- 适用于交互式任务
缺点：
- 进程切换有开销
- 时间片过小 → 切换频繁，开销大
- 时间片过大 → 响应变慢

分时系统与批处理系统的区别

	多道批处理系统	分时系统
原则	最大化处理器利用率	最小化响应时间
指令来源	Job Control Language	通过终端输入的命令

操作系统服务

提供以下功能：
- 程序执行的运行环境
- 程序和用户使用的各种服务
三个角度：
- 用户：系统提供的服务
- 程序员：用户与程序员采用的接口
- 操作系统涉及人员：系统组件及其相互关系
三种UI：
- GUI：桌面菜单图标
- CLI：终端输入的相关命令
- 批处理：.bat、.sh脚本
服务种类：
- UI：GUI：桌面菜单图标、CLI：终端输入的相关命令、批处理：.bat、.sh脚本
- Program Execution：系统必须能够将程序加载到内存中并运行该程序，正常或异常结束执行（指示错误）
- IO operations
- file systems
- communication：进程可以在同一台计算机上或通过网络在计算机之间交换信息（通信可以通过共享内存或通过消息传递进行）
  - 二者可相互实现：消息传递可通过共享内存 + 同步机制实现；共享内存也可通过消息传递的请求/应答方式模拟
  - 本质区别主要在于抽象和管理方式不同，而不是是否能够完成信息交换
- resource allocation：资源包括CPU周期、主内存、文件存储、IO设备、寄存器、Cache等
- accounting：跟踪哪些用户使用了多少及哪些类型的计算机资源
- error detection
- protection and security

系统调用

提供用户程序与操作系统间的接口
由程序通过API访问
操作系统暴露核心服务接口
用户态与内核态的转换的方式
例子：open()不是系统调用，是一个API，在高级语言中大部分函数都是系统调用封装过的API而不是系统调用本身

API与syscall的联系

API是程序员在应用层直接调用的接口，syscall是操作系统内核真正提供的服务入口
应用程序通常先调用库函数API，再由API去触发相应的syscall
API比syscall更高层，接口更友好、可移植性更好；syscall更底层，与具体操作系统实现相关
一个API可能对应一个syscall，也可能对应多个syscall
多个不同API也可能最终对应同一个syscall
调用syscall时会发生从用户态到内核态的切换，执行完后再返回用户态
例子：C语言中的printf()主要是库函数，最终可能通过write()系统调用把数据输出到终端或文件

`ptrace()`和系统调用追踪

ptrace() 是 Linux 内核提供的系统调用，用于进程跟踪（Process Tracing），是调试器和系统调用追踪工具的核心机制。

系统调用参数传递

三种传递方式：
- 寄存器传递
- 内存块
- 堆栈
后两种方式不限制所传递参数的数量或长度
栈从上往下走，因此push(A)时，esp=ebp-4（4个字节）

系统调用类型

进程控制
- 例子：fork()创建子进程，execve()装入并执行新程序，exit()终止进程，wait()等待子进程结束
文件管理
- 例子：open()打开文件，read()读文件，write()写文件，close()关闭文件
设备管理
- 例子：对设备文件执行read()、write()，或通过ioctl()设置设备参数
信息维护
- 例子：getpid()获取进程ID，alarm()设置定时器，time()获取当前时间
通信
- 例子：pipe()创建管道，shmget()申请共享内存，socket()建立套接字通信，一种是消息传递，另一种是共享内存，二者可相互实现，如消息传递可通过共享内存实现
安全保护
- 例子：chmod()修改文件权限，chown()修改文件属主，setuid()设置用户身份

系统服务

应用程序通常不被认为是操作系统的一部分
后台服务：在用户上下文而不是内核上下文中运行，因为它们通常只是长期运行的服务进程，比如日志、打印、网络、定时任务；它们需要系统资源，但不需要一直拥有内核级特权。

程序编译与运行

现代通用系统不会将库链接到可执行文件中，而是根据需要加载动态链接库（比如Windows的dll，Linux的.so），缺点是迁移困难
程序无法跨OS运行的原因：不同系统的二进制格式、系统调用不同
API是源代码层面的接口，规定程序员在源码中如何调用功能
ABI是二进制层面的接口，可看作API在体系结构层面的等价物，规定编译后的机器码如何在特定CPU和OS上与其他二进制组件交互
ABI通常涉及调用约定、寄存器用法、栈布局、数据类型大小、字节序、二进制文件格式、系统调用约定等
因此即使两个系统提供相似API，只要ABI不同，编译好的程序通常也不能直接通用
解释语言、包含VM的应用程序（如Java）、用标准语言（C）编写的程序可以在多操作系统运行

操作系统的结构

IPC：进程间通信（通过端口）
UNIX操作系统由系统程序和内核组成。
- 内核：包括系统调用接口下方和物理硬件上方的所有内容；提供文件系统、CPU调度、内存管理等操作系统功能一个级别的大量函数
任务是资源分配的基本单位，线程是执行的基本单位

操作系统实例

Windows操作系统

Windows对象

Windows利用了大量的面向对象的概念，关键的面向对象概念包括：

封装
对象类和实例
继承
多态

Windows内核控制对象

对象类型	描述
Asynchronous Procedure Call	用于中断指定线程的执行，并在指定的处理器模式中调用过程
Deferred Procedure Call	用于推迟中断处理以避免延迟硬件中断，也用于实现定时器和处理器间通信
Interrupt	通过中断分发表(IDT)中的条目将中断源连接到中断服务例程，每个处理器都有自己的IDT
Process	表示执行线程对象集合所需的虚拟地址空间和控制信息，包含地址映射指针、就绪线程列表、属于进程的线程列表、总累积时间和基本优先级
Thread	表示线程对象，包括调度优先级、时间量子以及线程可运行的处理器
Profile	用于测量代码块内的运行时间分布，可以分析用户和系统代码

Windows家族

Windows操作系统有多个版本，从早期的Windows NT到现代的Windows 10/11，形成了完整的操作系统家族。

传统Unix操作系统

发展历程

1970年在贝尔实验室开发，在PDP-7计算机上运行
融合了Multics的许多思想
PDP-11是里程碑，首次展示UNIX可作为所有计算机的操作系统
用C语言重写UNIX是另一个里程碑：
- 展示了使用高级语言编写系统代码的优势
- 1974年首次在技术期刊上描述
- 1976年发布第一个贝尔实验室外的广泛可用版本(Version 6)
- 1978年发布的Version 7是大多数现代UNIX系统的祖先
- 最重要的非AT&T系统是UNIX BSD(Berkeley Software Distribution)

传统Unix架构

用户程序 → 系统调用接口 → 内核 → 硬件

传统UNIX内核包括：

文件子系统
进程控制子系统
内存管理
调度器
设备驱动程序

现代Unix内核

现代UNIX内核更加复杂，包含：

多种文件系统支持(NFS、FFS、s5fs、RFS)
虚拟内存框架
公共设施
设备驱动程序切换
调度器框架
STREAMS框架

Unix家族

System V Release 4 (SVR4)

由AT&T和Sun Microsystems联合开发
融合了SVR3、4.3BSD、Microsoft Xenix System V和SunOS的特性
新特性包括：
- 实时处理支持
- 进程调度类
- 动态分配的数据结构
- 虚拟内存管理
- 虚拟文件系统
- 抢占式内核

BSD (Berkeley Software Distribution)

4.xBSD广泛用于学术机构，是许多商业UNIX产品的基础
4.4BSD是Berkeley发布的最终版本：
- 对4.3BSD的重大升级
- 包括新的虚拟内存系统、内核结构变化和其他功能增强
FreeBSD：
- 最广泛使用和文档最完善的UNIX版本之一
- 流行于基于互联网的服务器和防火墙
- 用于许多嵌入式系统
- Mac OS X基于FreeBSD 5.0和Mach 3.0微内核

SUN Solaris 10

Sun基于SVR4的UNIX版本
提供SVR4的所有特性加上更多高级特性：
- 完全可抢占、多线程内核
- 完全支持SMP
- 文件系统的面向对象接口
最广泛使用和最成功的商业UNIX实现

MacOS家族

MacOS操作系统家族包括从早期的Mac OS到现代的macOS，形成了完整的苹果桌面操作系统生态。

Linux操作系统

Linux概述

最初是为IBM PC设计的UNIX变体
由芬兰计算机科学学生Linus Torvalds编写初始版本
1991年首次在互联网上发布
现在是运行在多个平台上的功能齐全的UNIX系统
免费且源代码可用
成功的关键在于免费软件包的可用性
高度模块化且易于配置

Android操作系统

Android概述

Android是为触屏移动设备设计的基于Linux的操作系统
是最流行的操作系统
由Android公司开发，2015年被Google收购
最新版本是Android 14
2007年成立开放手机联盟(OHA)，负责Android发布
Android的开源属性是其成功的关键因素
第一个商业版本Android 1.0于2008年发布

Android软件架构

应用程序层：包括Home、Dialer、SMS/MMS、IM、Browser、Camera、Alarm、Contacts、Voice Dial、Email、Calendar、Media Player、Albums、Clock、Calculator等应用
应用框架层：
- Activity Manager：管理应用程序生命周期
- Window Manager：管理窗口显示
- Content Providers：封装需要在应用间共享的应用数据
- Resource Manager：管理应用资源
- View System：提供用户界面原语
- Location Manager：提供基于位置的服务
- Notification Manager：管理事件通知
- Telephony Manager：与电话、SMS、MMS服务交互
- XMPP：提供应用间的标准化消息功能
系统库层：由C/C++编写的实用系统函数集
Android运行时：每个应用运行在自己的进程中，有自己的Dalvik虚拟机实例
Linux内核：提供硬件驱动和底层系统服务

Android活动(Activity)

活动是单个视觉用户界面组件，包括菜单选择、图标和复选框等内容
应用程序中的每个屏幕都是Activity类的扩展
使用视图形成图形用户界面，显示信息并响应用户操作

Android电源管理

Alarms：在Linux内核中实现，通过AlarmManager对应用开发者可见
Wakelocks：防止Android系统进入睡眠模式，应用程序通过API请求锁
- Full_Wake_Lock
- Partial_Wake_Lock
- Screen_Dim_Wake_Lock
- Screen_Bright_Wake_Lock

麒麟操作系统(Kylin OS)

发展历程

2001年：863计划起源
2010年：军民融合整合
2019年：组建麒麟软件
2020年：国之重器V10
2025年：生态引领

系统构成

麒麟操作系统是国产操作系统的核心力量，在系统构成、产品矩阵和行业应用方面都有完整布局。

RichardYi's Notebook

Explorer

第二章

阶段

批处理系统

概念

特点

优点

缺点

分类

分时系统

CTSS

Time Slicing（时间片）

分时系统与批处理系统的区别

操作系统服务

系统调用

API与syscall的联系

ptrace()和系统调用追踪

系统调用参数传递

系统调用类型

系统服务

程序编译与运行

操作系统的结构

操作系统实例

Windows操作系统

Windows对象

Windows内核控制对象

Windows家族

传统Unix操作系统

发展历程

传统Unix架构

现代Unix内核

Unix家族

System V Release 4 (SVR4)

BSD (Berkeley Software Distribution)

SUN Solaris 10

MacOS家族

Linux操作系统

Linux概述

Android操作系统

Android概述

Android软件架构

Android活动(Activity)

Android电源管理

麒麟操作系统(Kylin OS)

发展历程

系统构成

Graph View

Table of Contents

`ptrace()`和系统调用追踪