第一章介绍

1.2 计算机系统组织

1.2.1 计算机系统操作

I/O设备可以和CPU同时工作
每一类I/O设备都有自己的控制器
每一个控制器都有一个缓冲区
CPU将数据在缓冲区和内存之间移动
I/O操作将数据从I/O设备移动到缓冲区
控制器通过中断告知CPU自己已经完成了I/O操作。
中断的类型
- trap: trap类型的中断因软件产生，程序执行过程中出现错误（算数移除，访存越界）或用户请求时会发生此类型的中断。
- interrupt: interrupt类型的中断因硬件产生。I/O完成，计时器到时，硬件故障时会发生此类型的中断。
中断发生时要：
1. 启动中断服务程序
2. 保存现场
3. 屏蔽其他中断
操作系统是由中断驱动的（换言之，操作系统从不自己主动做事情）。
处理中断
1. CPU保存寄存器状态和程序计数器
2. 判断发生了哪种中断
3. 调用对应的代码段处理中断
中断循环
1. 处理器在取下一条指令之前，先判断有没有中断
2. 若没有中断，则继续取下一条指令执行当前程序
3. 若有中断，暂停现有程序，运行中断处理程序
中断时间线
挺好的一张图，看懂就好

1.2.2 存储结构

计组那一套

分级存储
- 主存
- 第二存储
- 磁盘
- 磁带

1.2.3 I/O结构

Programmed I/O（有规划的I/O，我自己起的名字）
- CPU没有拿到它想要的那一个word之前，就一直等着。一直等I/O设备的status变成可用，然后给它读了那一个word，然后才结束。
Interrupt-Driven I/O（中断驱动的I/O）
- CPU给I/O设备一个“我要用你了”的信号，然后就去做别的事情。等I/O设备准备好了（或者出现了故障），会中断CPU的进程，然后为CPU做它想要做的事情。
- 同步I/O：I/O工作开始之后，一直等到I/O完成，控制权才返还给用户。
- 异步I/O：I/O工作开始之后，控制权不等到I/O完成就返还给用户。

在实际的I/O工作开始前，到底是不是在坐等I/O设备可用是区分Programmed I/O和I-D I/O的标准。
在I-D I/O中，是否坐等I/O工作完成，是区分同步和异步I/O的标准。
有两个东西方便实现上述功能
1. 设备状态表：设备处于什么状态
2. 系统调用：操作系统要怎么用设备
DMA(Direct Memory Access)
- 高速（与存储器读写速度相近的）I/O设备可以通过DMA一块一块的直接进行读写内存操作，中途不加CPU的干预
- CPU只在I/O开始和结束时介入。
- 每次读写一块数据时，CPU只在结束时被中断一次。
- 期间CPU可以做其他事情。
I/O通道控制程序
- 与DMA类似
- CPU通过I/O指令控制I/O设备
- I/O指令包括：通道号，I/O设备号，通道程序的首地址
- 通道程序由若干通道指令组成
- 当CPU需要一系列I/O操作时，只需要向I/O通道发送一条I/O指令即可。
- 通道程序举例
  - P：=1时代表是通道程序的最后一条指令
  - R：=1时代表这一条指令是处理当前记录的最后一条指令

1.4 操作系统结构

单线编程：再执行一个任务时，到了I/O环节，CPU总是要等I/O进行完毕再进行下一个动作，CPU和IO设备永远不会同时工作。
多线编程：保证CPU一直在运转，将所有要做的工作存起来。在执行一个任务到了不得不等I/O的环节时，操作系统切换到另一个工作。
时分复用
- CPU频繁的不同工作之间切换，确保用户可以在一个进程运行的期间和它交互
- 至少有一个工作在内存中执行
- 多个工作同时执行时要按照多线编程的方式选择工作进行
- 如果要进行的进程无法放进内存中，需要把内存中的东西移出去（有可能把别的工作移出去）。
- 多用户通过终端同时访问
时分复用系统的特点
- I/O规划由操作系统安排
- 操作系统为不同的工作分配内存
- 设立虚拟内存，为了使工作不只能在内存中进行
- 文件系统实现磁盘管理
- 安排CPU要做的事情，避免死锁
- 分配资源

1.5 操作系统行为

现代操作系统是由中断驱动的
硬件触发的中断叫做Interrupt，软件叫做trap或exception
双模式行为：硬件支持系统处于两种状态下
1. User mode: 用户执行
2. Monitor mode: 系统执行
双模式行为：
- 硬件设置标志位：0为Monitor mode，1为User mode
- 可以分辨当前处于什么模式
- 某些有特殊权限的指令只能在kernel mode下执行
- 一个system call就会转移到kernel mode，从system call返回时转移到user mode
设立计时器防止资源一直被某一进程占用
- 操作系统维护一个倒计时的计时器
- 当倒计时为0时，触发一个中断
- 在一个进程重获控制权时开始计时，在一个进程执行的时间超过预期时中断
- 用于改变这个计时器值的指令是一种特殊权限指令

1.6 进程管理

进程是一个系统正在执行的程序，是系统工作的单位。
进程需要资源
进程在结束时需要把资源归还
单线程的进程只有一个PC，多线程的进程每个线程都有一个PC
不同处理器上同时运行着多个进程
操作系统需要管理以下和进程有关的事件
- 创建/销毁用户/系统进程
- 挂起/恢复执行进程
- 同步进程
- 进程通信
- 防止死锁

第二章操作系统结构

2.1 操作系统提供的功能和服务

一类用于方便用户使用
- 用户交互，程序执行，I/O，操纵文件，进程间通信，错误检测
一类用于高效执行自己的业务
- 分配资源，统计，保护
- 多用户可以通过分配资源来提高效率

2.2 用户与系统交互的方式

CLI 命令行
- MS-DOS在内核中实现，内置命令
- Windows和UNIX在系统程序中实现
- Windows的命令控制界面
  - 运算符：&，&&，||，（），；，%1
  - 批处理文件：.bat和.cmd
GUI 图形化界面
操作系统汉化
- CCDOS：第一台长城机汉字操作系统
- HHBIOS：CCDOS的进阶版
- UCDOS：企业研发，性能优良，灵活方便
- 中文之星：Windows外围汉化代表
语音控制（VUI）
图像
手势
脑机

2.3 系统调用

对于系统提供的服务的编程式交互
- 例：写一个打开a文件，把a文件中的内容写入b文件
通常使用高级编程语言
多数由高级程序提供的接口（API）实现，而不是直接进行系统调用
API会提供一系列的函数方便编程者使用
常见的API：
- Windows API：Windows
- POSIX API：UNIX，LINUX，macOS
- Java：JVM
API比直接进行系统调用有着更好的迁移性，且屏蔽了一些不需要的细节。

API
Windows API：

/*
 * @retrun BOOL
 * @name ReadFile
 * @param file The file to be read
 * @param buffer A buffer where the data will be written or read from
 * @param bytes to read The number of bytes to be read next time
 * @param bytes read The number of bytes read to the buffer during the last read
 * @param ovl Indicates if overlapped I/O is used
*/
BOOL ReadFile(
  HANDLE file,
  LPVOID buffer,
  DWORD bytes To Read,
  LPDWORD bytes Read
  LPOVERLAPPED ovl
);

UNIX and Linux：

#include <unistd.h>

/*
 * @retrun ssize_t
 * @name read
 * @param fd The file descriptor to be read
 * @param buf A buffer where the data will be read into
 * @param conunt The maximum number of bytes to be read into the buffer
*/
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

支持运行时的系统会专门有一个系统调用交互
- 有一个系统调用索引表，每一个系统调用都对应一个数字
- 系统调用交互会：
  - 屏蔽API里的系统调用
  - 启用OS中必要的系统调用
  - 返回结果
用户并不知道系统调用是怎么做的，他们只需要知道怎么调用API和获得返回值就可以了。
向系统调用传递参数的三种方式
1. 寄存器
2. 内存块
3. 栈：程序入栈，OS出栈

2.4 系统调用的类型

进程控制
文件管理
设备管理
信息维护：获取，设置系统时间，文件属性
交流：进程间
1. 内存共享：借用内存共享块通信，不需要协助，不方便进程间同步，安全性差，高速量大
2. 消息传递：用send和receive，包含系统调用，必须提前建立连接，效率较低但是可以保持同步，用于交换信息量较少的数据，安全性好
保护：设置资源权限

2.5 系统程序

文件管理
状态信息
文件编辑
编程语言支持
程序加载和执行
用户，进程，系统间通信
系统工具
后台服务：自启动

2.6 操作系统的设计与实现

并不存在一个完美的解决方案
不同操作系统的内部原理相差甚远
从理清目的和特点出发
受硬件类型，操作系统类型（批处理，时分复用…）影响
难以具体化目标
- 用户：易用，性能强大，可靠，快速
- 系统：易实现，易维护，可靠，高效，可迁移
设计和实现一个操作系统是软件工程中极具创造性的工作
将目标（Policy）从手段（Machanism）中分离出来
- 二者分离是实现灵活性的重要途径
操作系统的实现
- 相差甚远
- 时间发展顺序：汇编语言————Alogol，PL/1————C，C++
- 实际上是多种语言的混杂，底层汇编，主体C，系统程序C/C++，Python，PERL，shell scrpits
- 更多的高级语言会导致
  - 硬件之间的迁移性好
  - 运行速度变慢
- 仿真可以让操作系统运行在非原生的硬件上
影响操作系统性能的重要因素：优秀的数据结构和算法
只有小部分代码的性能对系统总体性能有至关重要的影响
- 中断处理，I/O处理
- 内存管理，CPU管理
在可以正常工作后，优化瓶颈：将其转换为等价的汇编语言

2.7 操作系统结构

2.9 迁移操作系统

一个SYSGGEN文件用来描述操作系统所需的硬件参数
- CPU，内存大小，设备，缓冲区大小
迁移操作系统的方式
- 复制并修改原本操作系统的源代码
- 选择之前操作系统库中的部分功能
- 配置一个合适的表用来描述系统

2.9 启动操作系统

Booting：通过加载内核启动计算机
Bootstrap Program：一小段在ROM中的程序，定位内核，将其加载进内存，启动执行
两步走
1. bootstrap loader：诊断初始化系统，将boot program写入内存准备执行
2. boot program：将整个操作系统加载进内存开始执行

第三章进程

3.1 进程概念

执行中的程序叫进程
程序：静态存储在磁盘上的可执行文件
进程：程序加载进内存开始动态执行成为进程
一个进程内包括：
- 程序代码
- 数据区：全局变量
- 堆：动态分配的内存
- 栈：临时变量，包括：函数参数，返回地址，局部变量
- 当前操作：程序计数器
进程在执行过程中会改变状态
一个进程总是在以下几个状态之一：
- 新创建
- 正在执行
- 等待：等待某个事件的发生
- 就绪：准备加载到一个处理器开始执行
- 终止
一个处理器只能同时执行一个进程，其他进程都在等待和就绪
每个进程都由一个进程控制块（PCB）反映
一个程序块中包含：
- 进程状态
- 程序计数器
- CPU寄存器
- CPU给它的规划：优先级，执行队列
- 内存管理信息
- 统计信息：总共用了多少CPU时间，当前时间片用了多少时间，时间限制是多少…
- I/O信息：打开的文件，分配给进程的I/O设备
- 进程ID
进程在状态之间转换的时机
- 时钟打断：已经执行到了最大时间
- I/O打断
- 内存错误：访问到虚拟内存，必须从外存把数据带进来
- 异常
- 系统调用
一个进程中可以有多个线程
- 多个线程可以同时进行
- 在PCB中记录多个程序计数器

3.2 进程调度

multiprogramming的目的：最大化CPU利用率
时分复用的目的：让用户可以在一个进程执行时与它交互
调度队列
- 工作队列：系统中所有进程
- 就绪队列：系统中所有就绪的进程
- 一般用链表存储
设备队列：每个设备有一个属于自己的队列，用于记录等着要使用它的进程
长周期调度（job scheduler）
- 选择进入就绪队列的进程
- 不频繁被打断
- 长周期调度要控制同时在内存里的进程数量
短周期调度（CPU scheduler）
- 选择下一个要执行的进程
- 频繁被打断
进程可以分为以下两类
1. 绑定I/O的进程
2. 绑定CPU的进程
绑定I/O的进程多了，就会有很多进程卡在等待状态，就绪队列的进程很少，CPU调度不需要做什么工作
绑定CPU的进程多了，很多进程都会在就绪状态，设备队列的进程就很少，硬件会大量闲置
中周期调度(medium term scheduler)
- 将就绪队列和设备队列里的进程换进（到内存）换出（到磁盘），让两个队列比较均衡
- CPU处理的比I/O设备快，所以所有进程可能都在设备队列
- 这时候把设备队列里的进程换出，状态变为挂起等待
- 新增两个状态
  1. 挂起等待
  2. 挂起就绪
- 换出的原因：
  - CPU需要为一个要执行的进程腾出一些内存空间
  - 系统怀疑有一个进程产生了异常
  - 用户主动要求
  - 一个进程是每过一段固定时间才执行
  - 父进程要求
语境切换
每次CPU切换要执行的进程时，要进行语境切换。一个进程的语境存储在PCB里，语境切换包括以下步骤：
1. 保存处理器的执行环境：包括程序计数器和寄存器状态
2. 更新当前正在执行的进程PCB
3. 把PCB挪到它应该去的地方
4. 选择另一个要执行的进程
5. 更新要执行的进程的PCB
6. 更新内存管理数据结构
7. 恢复要执行的进程的语境
语境切换是顶级操作：CPU在这个过程中不做任何实际的工作
切换速度取决于硬件

3.3 进程操作

创建进程

创建进程的原因
1. 执行一项批处理工作
2. 用户登录
3. 要打印东西
4. 被其他进程创建
创建进程的步骤
1. 给新进程分配一个ID
2. 给新进程分配内存空间
3. 初始化PCB
4. 进行合适的链接：让需要知道这个进程存在的东西都知道它被创建了，比如把它连进CPU调度链表
5. 创建别的数据结构：比如一个统计信息表
6. 确定资源共享方案：共享父进程的所有资源，共享父进程的部分资源，不和父进程共享资源
7. 当一个进程被创建时，他可能包含着从父进程传给它的初始化参数
执行时的两种可能：
1. 与父进程同步执行
2. 父进程等待他的一些子进程结束后继续执行
地址空间的两种可能：
1. 与父进程完全相同
2. 有一段程序专门加载子进程的地址空间
PPT上的练习

终止进程

终止进程的原因
- 正常执行结束
- 执行时间超过限制
- 内存不可用
- 越界访问
- 越权操作：尝试写入只读文件
- 算数异常：分母为0
- 等待（I/O）时间超过最大值
- I/O失败
- 错误指令
- 越权指令：用户进程试图执行只有内核才能执行的指令
- 数据异常：类型不匹配
- 操作系统介入：死锁
- 父进程终止
- 父进程要求子进程终止
进程执行了最后一条指令，请求操作系统删除它
- 将数据还给父进程
- 收回分配的资源
父进程要终止子进程的原因
- 子进程用了超出给它分配的内存空间
- 分配给子进程的任务已经不再需要了
- 父进程自己要终止

3.4 进程间通信

独立进程不会影响其他进程执行，也不会被其他进程执行影响
合作进程会影响其他进程执行，也会被其他进程执行影响
两个基础模型
1. 共享内存：可以达到通信的最高速度和便利性，可以以内存读写的速度进行通信
2. 通信管道：适用于数据量小的通信，因为不需要考虑读写冲突；跨计算机通信更好实现
共享内存系统——生产者-消费者问题
- 一个经典模式：生产者进程生产数据，消费者进程消费数据
- 我们要提供一个缓冲区，让生产者把数据放进来填满，让消费者搬空
  - 生产者生产和消费者消费可以同时进行
  - 两者必须同步（synchorize）
- 两种缓冲区
  1. 无界缓冲区
  2. 有界缓冲区：循环队列
通信管道——IPC
- 通信并同步他们的执行节奏
- 建立一个管道，然后通过send()和receive()通信
- 管道的介质
  - 物理介质：共享内存，硬件总线，网络
  - 逻辑介质：逻辑属性
- 直接通信
  - 进程之间必须显式指定通信双方的名字
  - 两个通信进程之间有且仅有一根管道（可单向可双向）
- 间接通信
  - 进程之间依赖邮箱通信，一个进程把数据放到信箱里，另一个进程来取
  - 一个信箱可能有多个进程使用
  - 两个进程之间可能用多个信箱
- 如何杜绝间接通信中的冲突问题
  1. 最多允许两个进程共享一个信箱
  2. 最多同时允许一个进程调用receive()函数
  3. 让系统随机选择一个接收者，让发送者知道谁拿到了
- 一个信箱可以被操作系统或者进程占用
- 如果这个信箱是被进程创建的
  - 这个进程只能用这个信箱接受信息
  - 别的进程只能往这个信箱发送信息
- 如果这个信箱是系统创建的：不属于任何进程
- 操作系统向进程提供以下几种操作
  - 创建和删除一个信箱
  - 从信箱中接收消息，发送信息到信箱
- 同步/异步
- 限制发送者
  - 通道0容量：发送者必须等接收者可以接收的时候才能发
  - 通道n容量：发送者必须等通道有空闲了再发
  - 通道无限容量：发送者的发送不受任何限制

#操作系统

操作系统

https://heyewuyue1.github.io/2022/09/10/OperatingSystem/

作者

何夜舞月

发布于

2022年9月10日

许可协议

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操作系统

第一章 介绍

1.2 计算机系统组织

1.2.1 计算机系统操作

1.2.2 存储结构

1.2.3 I/O结构

1.4 操作系统结构

1.5 操作系统行为

1.6 进程管理

第二章 操作系统结构

2.1 操作系统提供的功能和服务

2.2 用户与系统交互的方式

2.3 系统调用

2.4 系统调用的类型

2.5 系统程序

2.6 操作系统的设计与实现

难以具体化目标- 用户：易用，性能强大，可靠，快速- 系统：易实现，易维护，可靠，高效，可迁移

2.7 操作系统结构

2.9 迁移操作系统

2.9 启动操作系统

第三章 进程

3.1 进程概念

3.2 进程调度

3.3 进程操作

创建进程

终止进程

3.4 进程间通信

第一章介绍

第二章操作系统结构

难以具体化目标
- 用户：易用，性能强大，可靠，快速
- 系统：易实现，易维护，可靠，高效，可迁移

第三章进程