OperatingSystem

操作系统

前言

学科地位：

主讲教师	学分配额	学科类别
段博佳	4+1	专业课

成绩组成：

理论课		实验课
平时	10%	小组作业	100%
期中	30%
期末	60%

教材情况：

课程名称	选用教材	版次	作者	出版社	ISBN 号
操作系统原理	《操作系统教程》	6	骆斌 葛季栋 费翔林	高等教育出版社	978-7-04-055304-8

学习资源：

• 🖥 合集·[完结] 2024 南京大学 “操作系统：设计与实现” (蒋炎岩)
• 📑 蒋炎岩课程配套讲义

最难崩的一集：

为什么要学这门课？

目前无论是考研还是互联网行业求职，操作系统似乎一直深受青睐。在对操作系统有了一点粗浅的认知后，我做出了这样的人机类比，尝试解释为什么操作系统会有如今这般重要的地位。

对于任何一种具备交互、计算功能的电子计算机而言。不同的 模块 就是不同的器官，承担了各自的责任和义务（毋庸置疑 CPU 就是心脏）；源源不断的 电能 就是循环不止的血液，确保所有的细胞能及时的进行呼吸以正常工作；主板 则承担了骨架与神经的指责，搭载了所有的模块并确保数据可以在不同的模块之间自由的流通；而 操作系统 则肩负起肌肉的责任，从 CPU 的心肌泵动开始让整台计算器健康地运作。

会收获什么？

能详细地解释下面的过程中电脑都发生了什么：按下电源键，网络连接，蓝牙连接，启动网易云音乐播放器软件并开始播放，启动谷歌浏览器并进入力扣网站，启动 Pycharm 集成开发环境软件编写代码并运行测试，关闭 Pycharm，关闭谷歌浏览器，关闭网易云，断开蓝牙，断开 WIFI 连接，关机。

记得多想想：是什么？为什么？会怎么样？当然也可以想想：可以比它更优吗？比如：什么是【操作系统】？为什么会有【操作系统】？有了【操作系统】会怎么样吗？可以用别的策略代替吗？上述的【操作系统】可以替换为任意一个名词或短语。

绪论

本文的行文大纲是基于硬件进行的。毕竟操作系统并非实体，本质是一个运行在硬件之上的软件，只不过这个软件的权限比较高可以直接调用分配硬件资源而已。全文围绕以下 4 个硬件模块的 各自功能 以及 之间的交互 展开：

---
title: What can Operating System do?
---
graph LR
    subgraph CPU
    direction LR
    进程管理
    资源调度
    并发执行
    end
    subgraph RAM
    内存管理
    虚拟内存
    end
    subgraph I/O
    设备管理
    中断处理
    缓存管理
    end
    subgraph SSD
    文件系统
    存储分配
    end
    subgraph NIC
    网络与通信管理
    end
    CPU --> RAM
    CPU --> I/O
    CPU --> SSD
    CPU -.-> NIC

操作系统的定义是什么？对于硬件。操作系统封装所有的硬件资源；对于用户和软件。操作系统将封装好的硬件资源分配给软件调用，同时为用户提供可视化界面。

操作系统是怎么管理资源的？主要有三个技术。资源复用、资源虚拟化和资源抽象。后两个技术都是从第一个资源复用衍生而来，个人认为很多东西的解释都被复杂化了。

• 比如，资源复用。其实根本没有复用，这只是相对于一开始的时候，一台计算机只能一次运行一个程序而言的。现在一台计算机需要同时运行很多程序，怎么办呢？既然程序运行需要计算资源，那我直接把计算机中的资源划分成很多份不就好了。当然了，除了内存进行空间上的划分，时间上也可以划分，比如 CPU，于是就有了资源复用中「空分复用」和「时分复用」两个理念。
• 资源虚拟化听着玄乎，其实就是名词学术化的资源复用。比如，我将物理世界中的硬件，通过操作系统的划分与调度，将其转化为逻辑世界中的多个资源，也就是所谓的将「单一物理资源」虚拟化为「多个逻辑资源」的理念。
• 资源抽象也很好理解，就是一种底层封装，顶层调用的思想。比如，对于每一个进程而言，都获得了操作系统为 ta 单独分配的 CPU 状态集和内存空间，而无需关心这些硬件资源是怎么分配给 ta 的。比如，对于每一个文件而言，都是对物理存储空间的抽象。

操作系统有什么特点？并发性、共享性和异步性，都很好理解。并发就是多个进程任务同时进行，但其实是操作系统的一个小把戏，让 CPU 在极短的时间间隔内频繁地切换执行不同的进程；共享是并发的衍生，我们知道程序执行是需要消耗资源的，而资源有限，因此我们可以让所有的进程共享同一块资源；而异步就是指一个任务在等待其他任务执行时，不会阻塞整个系统，等到其他任务执行结束或者切换到当前任务时，可以继续 ta 的执行。所以这么折腾到底是为了啥？可以从两个角度出发：

1. 对于一个任务而言：这样做可以 提升资源利用率。因为一个进程在执行时，任务会有很多，不仅仅需要 CPU 的状态计算，可能还需要和别的设备进行数据交互，我们知道 CPU 的计算效率远高于诸如 I/O 之类的设备，这就会让系统停下来等待进程执行其他的任务。我们就可以利用系统停下来等待的这段时间，把这个进程的其他任务给执行了。同时，如果一个任务可以被划分为多个子任务，也可以并发以提升资源利用率。
2. 对于多个任务而言：可以 提升系统响应效率。多个用户同时提交请求？是一个一个响应，最快的极快，最慢的很慢。还是牺牲一点速度，大家都慢一点但是都没那么慢，同时响应？显然是后者。

操作系统是怎么对上层提供服务的？一句话概括就是，操作系统将封装好的应用程序接口 (Application Program Interface, 简称 API) 给用户或应用程序调用。例如下面的两个流程图：

---
title: 用户调用系统资源
---
graph RL
    subgraph User[调用者]
    direction LR
    用户逻辑
    界面
    解释器
    用户逻辑 --> 界面
    界面 --> 解释器
    end
    subgraph OS[OS]
    内核
    end
    subgraph Source[硬件资源]
    内存
    end
    User -->|API| OS
    OS -->|调用| Source
    Source -->|反馈| OS
    OS -->|反馈| User

---
title: 应用程度调用系统资源
---
graph RL
    subgraph User[调用者]
    应用程度逻辑
    end
    subgraph OS[OS]
    内核
    end
    subgraph Source[硬件资源]
    内存
    end
    User -->|API| OS
    OS -->|调用| Source
    Source -->|反馈| OS
    OS -->|反馈| User

为什么让操作系统对下层抽象进而为上层提供服务？因为下层的硬件十分繁杂，并且不同厂商生产的硬件可能会有使用上的不同，通过操作系统对下层硬件的封装，不仅可以隐藏复杂的硬件资源调度，可以统一出一种普适性更高的规则供上层服务使用。

操作系统的内核是什么？操作系统的其他部分是什么？为什么要这样区分？

• 首先我们有必要了解「用户态」和「内核态」的概念。这两种状态定义了应用程序的指令执行权限，当程序运行在用户态时，不可以执行一些关键的指令，例如中断、网络通信等；但当程序运行在核心态时，可以执行所有指令。不难发现隔离化的运行模式相比于所有应用程序都有最高指令执行权限来说，可以进一步提升程序运行时系统的安全性。于是乎，操作系统的内核概念应运而生。
• 知道了指令执行权限隔离的程序运行理念后，再来理解操作系统的内核就很显然了。我们知道操作系统本质上就是一系列的系统软件，我们将操作系统中直接与硬件交互的软件划分到一起并称为「内核」，代表性内核软件可以实现的功能如「中断处理，进程管理」。操作系统剩余的部分就被划分为「非内核」部分，用于和应用程序直接交互，代表性非内核软件可以实现的功能形如「提供系统调用接口，基本计算」。当程序运行在用户态时，仅可以和操作系统的非内核部分交互；当切换到核心态时，就可以操作系统包括内核的所有部分交互。

block-beta
  columns 2
  
  %% 上层
  user["用户"]:1 app["应用程序"]:1
  
  %% OS
  nonkernel<["封装调用，基本计算\n「OS 非内核」"]>(up,down):2
  kernel<["中断处理，进程管理\n「OS 内核」"]>(up,down):2
  
  %% 底层
  source["硬件"]:2

CPU

CPU 的核心关键是并发程序，为此每一个硬件设计与相应 OS 的运行逻辑，都和 进程管理、资源调度、并发 息息相关。

进程和程序的区别是什么？动态性。程序是一个指令序列，当程序载入进程时就转换为了进程。

五态模型：

七态模型：

如何准确描述一个进程？通过进程映象。我们引入进程映象的概念。所谓进程映象就是某一时刻的进程状态，可以描述为以下 4 个部分：

操作系统如何跟踪每一个进程？通过 PCB。每一个进程都会有很多信息，OS 设计者将其统一存储在进程控制块 (Process Control Block, 简称 PCB) 中。每一个进程都有自己的 PCB，只要是跟进程管理相关的数据信息一定都存储于 PCB 中。PCB 中存储的内容主要有以下内容：

• 标识信息

  • 进程标识 PID
  • 进程组标识 ID

• 现场信息

  • 程序计数器 Program Counter
  • CPU 寄存器：包括栈指针、通用寄存器等

• 控制信息

  • 进程状态：三态、五态等等
  • CPU 调度信息：如优先级、调度队列指针、调度参数等
  • 内存管理信息：依据内存管理的方式不同而不同，如基/限长寄存器、段/页表指针等
  • 计费信息：如进程使用的 CPU 时间
  • I/O 状态信息：包括分配给该进程的 I/O 设备列表、打开文件列表等

当有多个进程处于同一个状态时，操作系统如何访存不同的进程呢？通过等待队列存储 PCB 实现。我们将状态相同的进程存放到同一个容器（如链表队列）中，操作系统拥有每一个容器的指针。容器中相同状态的不同进程可能会按照优先级的顺序链接。那么容器中存的是什么呢？从上文可以知道，每一个 PCB 都可以唯一确定一个进程，因此等待队列中只需要存储 PCB 即可。

并发执行程序时，切换后重新执行原程序，如何继续运行呢？通过 PCB 保存现场数据。PCB 中的寄存器等可以在切换程序时保存必要的数据便于运行权重新切换回来时能够从刚才的状态继续运行，这个过程被称为进程上下文切换。如下图所示：

RAM

内存管理

虚拟内存

I/O

设备管理

SSD

文件系统

后记

除了上述的 4 个模块，还有很多模块都没有涉及，有机会一定会补。例如：显卡、网卡、BIOS、南桥北桥芯片组……