操作系统【入门篇】

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1、什么是操作系统/h2>

操作系统是计算机硬件和应用之间的一层软件。

• 方便我们使用硬件，如使用显存…
• 高效的使用硬件，如开多个终端（窗口）

主要介绍前五个内容，后三个不涉及。

学习目标：

? 改CPU管理

? 改屏幕输出

? 改系统接口

? 改内存管理

进入操作系统：能理解真实操作系统的运转！

我们要成为掌握计算机关键技术的工程师

Standford操作系统课程中的一句话：（通过编码了解操作系统概念）

计算机存储程序的主要思想：将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步进行处理

计算机由五大部件组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器

计算机怎么工作/strong>

四个字——取指执行

先把程序放到存储器里，然后指针指向它，然后就是取指执行。控制器从存储器中取出数据后，分析指令，运算器执行逻辑运算。

各种初始化，永不退出。

mem_init() 初始化页内存

操作系统接口连接的不是用户

用户该如何使用计算机呢/h2>

• 命令行
• 图形按钮
• 应用程序

图形按钮又是怎么回事/strong>

4、系统调用的实现

不应该随意访问内核

不能随意的调用数据， 不能随意的jmp/mov（尽管都是在内存中）【是系统调用不是直接函数调用】。这会导致安全和隐私问题，如：可以看到root密码，可以修改root密码，可以通过显存的缓冲看到别人的东西等。而操作系统的调用便正好提供了能够合理进入内核的一种手段。

怎么不让你访问内核

将内核程序和用户程序隔离!!!它把非内核的和内核的东西划分成了用户态和内核态。因此对应的内存中的区域叫用户段和内核段。（通过处理器的“硬件设计”来防止你访问）。

整个过程可详细展开为：

了解系统调用的背后发生了什么。

6、CPU管理的直观想法

操作系统正是在管理CPU的时候，引出了多进程图像（操作系统中的核心图像）这个概念。

CPU怎么工作/h2>

工作过程： 将一段程序存放在内存里，设置PC指针的地址，CPU会根据PC指针发出取址的命令，命令通过总线到达内存，内存将PC地址上的指令再通过总线传回给CPU。CPU看到该指令后，CPU便开始执行该指令。

1、CPU上电之后，会去自动的取址—执行。只需要给CPU设置一个PC初值 （一个程序的开始地址），他就会不断的去取址执行。

上述某程序等待文件输出的时候，CPU不会向下执行，可以切到其他程序让CPU继续执行【多道程序同时执行】。

一个CPU上交替的执行多个程序：

CPU工作时是如何来回切换执行多个程序的呢（并发）/h2>

“进程”的概念

在并发的过程时，注意不仅仅修改PC寄存器就可以（还要修改各种命令）显然这种方式不可取，需要记录信息（切出去的时候，这个程序执行到哪里，执行时刻的样子）。因此静态程序和运行的程序不一样（不运行时，就那么多字，但一旦运行起来，随时准备记录切出去时的样子）。

图中，负责记录好进程的便是PCB1，其为process control block进程控制块。

多进程图像从启动开始到关机结束

操作系统通过管理进程来管理用户对计算机的使用。

多进程如何组织/h2>

多进程的组织：PCB+状态+队列（PCB+状态形成不同的队列，放在不同的位置）

操作系统对多进程的感知和组织全靠PCB。

多进程如何交替/h2>

交替的三个部分：队列操作+调度+切换

依靠一个函数，叫做schedule()，根据调度（getNext()方法，有很多调度算法：FIFO、Priority等）取出来下一个要切换的进程，随后与当前进程进行switch切换（switch_to() 方法；切换时，CPU会将当前进程的信息保存在相应的PCB中）即可。

多进程如何影响/h2>

由于多个进程会同时存在内存中，此时他们就有可能会互相影响。例如进程1访问的地址，可能存放有进程2的代码，因此有可能进程1会修改进程2的代码从而导致进程2执行时发生错误。

解决办法：限制对地址的读写（会通过每个进程的映射表，将部分地址映射出去）

多进程的地址空间分离：内存管理的主要内容

多进程如何合作/h2>

典型的生存者-消费者模式

程序不做干预的话，程序可以一直执行下去。

核心在于进程同步(合理的推进顺序)，不能进程之间随意切换，会导致执行错误（执行顺序错乱），应该规定好合理的推进时机。
（通过上锁、开锁和检查锁）【加锁、持有锁、解锁，同一把锁只能被一个线程持有】

总结

线程的出现是否实用/h2>

【例子】：浏览器搜索会发生什么/p>

其Create（需要创造出第一次切换时应该的样子）之后，就靠Yield来交替切换线程执行。那么核心其实就是Yield（要知道切换时需要是个什么样子）。【先切出去再切回来来回切换】

Yield是如何做到线程切换的/h2>

多个线程能共享一个栈吗/strong> 答案是不可以。

执行函数要将此时地址压栈，如下图，执行到最后会发现，栈中最后的地址是404，后面开始出栈操作，弹出404不是我们期望的204地址不就出问题了吗（也就是说，跑到人家线程里去了，这种情况就不太好回到我们切换前的线程了）。

因此，

再看看ThreadCreate做了什么/strong>

ThreadCreate的核心就是用程序做出这三样东西。申请栈、申请TCB、func等入栈、关联TCB和栈

为什么说是用户级线程——Yield是用户程序

因为Yield是用户程序。它是用户程序里面的线程不断切换（在用户态中来回切换）。有其优点也有缺点，缺点：由于线程都是在用户段的，其内核感知不到该进程有多个线程。当浏览器整个进程在调用网卡IO等待的时候，内核会自动切换到另一个进程。因此一旦内核阻塞，其用户部分的多线程根本没有并发性的效果，因为本身CPU已经不在当前进程工作了。

9、内核级线程

处理器的多核能工作，都依靠核心级线程。由下图也可以知道，多核处理器中共用一个MMU（MMU就是映射），这正是符合线程共享资源的定义。多核的多个CPU能够并行执行

用户栈和内核栈之间的关联

一旦出现了中断（int 0x80）进入了内核，便会启用内核栈。此时计算机硬件寄存器会根据用户栈找到其对应的内核栈，并会将用户程序和用户栈的一些寄存器值压入内核栈。当结束中断时，会弹出内核栈的内容，从而恢复至用户态继续执行。

内核线程switch_to的五段论

内核线程切换，核心栈切换

10、内核级线程实现

进程里面的执行序列其实就是内核级线程

，两套栈之间的切换

第二三四段

当其状态阻塞或者时间片不够的时候，则会发生schedule，内核栈便开始发生切换。

第五段

最后一段就是中断返回，将压入内核栈和system_call中存储的各种状态进行pop弹出 返回，iret返回对应的用户态

11、CPU调度策略

各种CPU调度算法

各个任务到达时间及耗时情况

可以让CPU区间短的作业优先执行，短作业就可以提前结束，短作业周转时间就会变小，短作业就会比较满意，在整体系统中，有短作业也有长作业，短作业整体满意度上升，系统整体满意度也会上升。可以证明，该算法可以达到最短的周转时间。但与此同时，响应时间可能会变长（如下图），也许你一开始点了个鼠标，但由于你的任务比较耗时，因此被排到最后执行，最开始点击反而最后执行，用户体验就会很差。

因此为了解决上述问题，后台的任务优先级应该动态升高，不能一味的只执行前台任务需要适当的执行后台任务，并且为了照顾到各自的响应时间情况，应该前后台任务都用时间片。下文将介绍一个完整的不错的调度算法。

12、实际的schedule函数(linux 0.11调度函数)

找到next，然后switch_to(next)

在时钟中断中counter每次都–，当减为0时，就进行调度。所以counter是典型的时间片，所以是轮转制度，保证了响应。

counter的另一个作用: 优先级

第一条：其时间片最长也就是2P，所以是可以保证有限时间的。也就是上面为什么除以2，而且右移一位对于硬件运算来说是非常快的（其实除以几都ok，但是右移动一位最快，而右移动一位正好是除以2）

第三条：时间片会不断轮转，这样还是短作业的先完成（时间片用光了就复位，肯定短作业先完成），因此近似SJF。

13、进程同步与信号量

进程合作：多进程共同完成一个任务

进程同步—让多进程之间进行地合理有序，其依靠的工具就是信号量。

经典生产者-消费者实例，。

只发信号还不能解决全部问题，两个生产者对应一个消费者就会出现以下问题，导致P2不会被唤醒。因此单纯依靠counter这种语义判断是不够的，因为它仅知道有生产者在睡眠但是不知道到底有几个生产者在睡眠。

sem为负几就代表有几个生产者正在睡眠等待。

看到信号量是负的，代表在等待资源，因此此时可以wakeup(包括信号为0)（产生资源，其加1）也可以sleep(消耗资源，其减1)。看到信号量是正的，便无需操作，可以运行。

看如下问题：

临界区(Critical Section)

临界区: 一次只允许一个进程进入的该进程的那一段代码

一个重要的工作：

临界区代码保护原则

1. 互斥进入
2. 有空让进
3. 有限等待

• P0进程执行完turn=1，P1进程完全可以不执行（例如阻塞），P0完成后不能接着再次进入，尽管进程P1不在临界区…(不满足有空让进)

标记法

非对称标记

关键: 选择一个进程进入，另一个进程循环等待

多进程怎么办/p>

面包店算法

面包店算法——仍然是标记和轮转的结合

如何轮转: 每个进程都获得一个序号，序号最小的进入。
如何标记: 进程离开时序号为0，不为0的序号即标记

硬件提供命令关中断，开中断；问题是在多核CPU的环境下不好用，因为关中断也只能关掉当前进程的中断，其他的CPU是不理会的，也就说其他的进程有可能再引起竞争条件！

临界区保护的硬件原子指令法

通过一个原子指令实现一个1的锁信号量，用其修改一个整型变量，根据这个变量，再来判断要不要进入临界区。因此，修改这个变量的过程要求一步完成（硬件帮忙、原子操作），中间绝不能被打断

死锁处理方法

死锁预防

破坏死锁出现的条件

方法例子：

1. 在进程执行前，，不会占有资源再去申请其它资源（缺点：需要预知未来，编程困难；许多资源分配后很长时间后才使用，资源利用率低）
2. 对资源类型进行排序，，不会出现环路等待（缺点：仍然造成资源浪费）

死锁避免

检测每个资源请求，如果造成死锁就拒绝

每次请求不做任何要求，可以随便申请，但是每次请求需要算一下判断此次请求是否会引起死锁

怎么判断呢要算法——银行家算法

安全状态： 如果系统中的所有进程存在一个可完成的执行序列P1，…Pn，则称系统处于

银行家算法： 找安全序列的银行家算法(Dijkstra提出)

算法过程： 其算法如下：就是不断对比工作向量Work和需要的资源量，分配后再加进程结束后归还的已分配资源，再去比较下一个需要分配的资源类，查看是否可以找到一个安全状态的可执行序列。（m是资源个数，n是进程个数，因此时间复杂度是较高的）

16、内存使用与分段

如何让内存用起来/h2>

将程序放到内存中，计算机不断从内存中取值执行，内存就被用起来了。

内存使用：将程序放到内存中，PC指向开始地址

重定位：

重定位: 修改程序中的地址(是相对地址)

在内存使用过程中，当遇到指令call 40（40刚好是main函数地址）时，理论上，存放main函数的物理地址就应该是40，但是如果这样很明显可能与其他程序中的40地址相等造成冲突（而且OS放在低位的地址上），因此应该找个空闲的地址开始存放，同时把40当作一个逻辑地址，同时找到空闲的地址，将该逻辑地址修改为物理地址（即如下图将40改成1040这个过程就是重定位）。

因此，在运行每条指令时才完成重定位（地址翻译）。

引入分段: 是将整个程序

来源：Geek！