曾梦想仗剑走天涯

1+P83

各种软件通过OS提供的资源抽象使用硬件资源
OS允许不同程序共享硬件资源

基本功能……
提供操作界面
控制程序运行
管理系统资源
配置系统参数
监控系统状态
工具软件集合

操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机系
统软、硬件资源的分配；控制和协调并发活动；提
供用户接口，使用户获得良好的工作环境。

• 操作系统的特性
  并发性
  共享性
  不确定性

操作系统的功能一

进程管理

处理机分配
CPU管理
处理机管理
具体功能
进程控制：创建，暂停，唤醒，撤销
进程调度：调度策略，优先级
进程通信：进程间通信

操作系统的功能二

存储管理

为应用程序运行高效提供内存空间。
支持多道程序设计
作用
内存分配
内存共享
内存保护
虚拟内存

操作系统的功能三

设备管理

提供统一的设备资源使用接口，管理设备的分配和
使用。
设备无关性
设备的传输控制
设备的驱动

操作系统的功能四

文件管理：文件和目录的管理

提供简便统一的信息存取和管理方法，并解决信息共享、数
据的存取控制等问题。
 存储空间管理
 文件的操作
 目录的操作
 文件和目录的存取权限管理

• 操作系统的评价指标

1. 吞吐率
2. 响应能力
3. 资源利用率
4. 可移植性
5. 可靠性

• 操作系统发展的四个典型阶段
  1.手工操作（无操作系统） 40年代到50年代早期
  2.单道批处理系统 50年代
  3.多道批处理系统 60年代初
  4.分时操作系统 60年代中

• 多道程序设计技术
  在内存中存放多道程序,当某道程序因为某种原因
  （例如请求I/O时）不能继续运行时，监控程序便调
  度另一程序投入运行。这样可以使CPU尽量处于忙碌
  状态，提高系统效率。

• 多道批处理系统
  采用多道程序设计技术实现的处理系统称为多道批
  处理系统。

• 缺点

1. 作业处理时间长
2. 交互能力差
3. 运行过程不确定

• 60 年代硬件的两个重大进展

1. 中断技术
2. 通道技术
   专门处理外设与内存之间的数据传输的处理机。

• 多终端计算机
  主机采用 分时技术轮流为每个终端服务，每个终端都感觉到
  是“独占”主机！

• 分时系统的特点

1. 多路调制性
2. 独占性
3. 交互性

第一个实用化的分时操作系统 UNIX
第一次把各种外部设备也看作文件

• 多处理机系统
  特点

1. 具有并行处理能力
2. 紧耦合、存在瓶颈、可扩展性差
3. 不支持大规模并行计算；不支持分布处理

Linux kernel版本

• x.y.zz-www
• x.y指主版本号，zz指次版本号，www指发行号
• 主版本号：偶数是稳定版本，奇数号是测试版本

2+P50

• 面对用户，裸机配置操作系统后称为 操作系统虚拟机

1. 用户界面
2. 屏蔽硬件细节
3. 扩展硬件功能
4. 系统更安全
5. 系统更可靠
6. 效率更高

• 逻辑结构
  OS的设计和实现思路

• 逻辑结构的种类
  1.单体式结构
  2.模块化结构
  3.可扩展内核结构(微内核结构)
  4.层次式结构

• 单体式结构
  优点
  一个逻辑模块的函数可以直接访问另一个逻辑模块
  的数据结构，提高效率。
  缺点
  修改复杂

• 模块化结构
  特点
  模块设计、编码和调试独立
  模块调用自由
  模块通信多以全局变量形式完成
  缺点
  信息传递随意，维护和更新困难。

• 可扩展内核结构(微内核结构)
  客户 ：应用程序
  服务器 ：操作系统
  微内核
   足够小，提供OS 最基本的核心功能和服务
  ① 实现与硬件紧密相关的处理
  ② 实现一些较基本的功能；
  ③ 负责客户和服务器间的通信。
  核外服务器
   完成OS 的绝大部分功能，等待 客户 提出请求。
  由 若干服务器或进程共同构成
  例如：进程/线程服务器，虚存服务器，设备
  管理服务器等，以 进程 形式运行在用户态。

• 层次式结构
  分层原则

1. 硬件相关——最底层
2. 外部特性——最外层
3. 中间层——调用次序或消息传递顺序
4. 共性服务——较低层
5. 活跃功能——较低层

层次结构的优点
结构清晰，避免循环调用。
整体问题局部化，系统的正确性容易保证。
有利于操作系统的维护、扩充、移植。

• 支持操作系统的最基本硬件结构

1. CPU
2. 内存
3. 中断
4. 时钟

• 态的分类

1. 核态(Kernel mode)
2. 用户态 (User mode,目态)
3. 管态(Supervisor mode)
   介于核态和用户态之间
   Ring 0：特权指令，OS内核或驱动程序
   Ring 1：管态
   Ring 3：应用程序

合法的访问：RPL <= DPL
请求特权级:RPL，Requested Privilege Level
描述符特权级:DPL，Descriptor Privilege Level

• 用户态向核态转换

1. 用户请求OS提供服务
2. 发生中断
3. 用户进程产生错误（内部中断）
4. 用户态企图执行特权指令

• 核态向用户态转换的情形
  一般是中断返回：IRET

• 引入中断的目的

1. 实现并发活动
2. 实现实时处理
3. 故障自动处理

• 中断类型

1. 强迫中断和自愿中断
   强迫中断：程序没有预期：例：I/O、外部中断
   自愿中断：程序有预期。例：执行访管指令
2. 外中断（中断）和内中断（俘获）
   外中断：由CPU外部事件引起。例：I/O，外部事情。
   内中断：由CPU内部事件引起。例：访管中断、程序中断
3. 外中断：不可屏蔽中断和可屏蔽中断
   不可屏蔽中断：中断的原因很紧要，CPU必须响应
   可屏蔽中断：中断原因不很紧要，CPU可以不响应

• 中断响应的实质

1. 交换指令执行地址
2. 交换CPU的态

3+P110

到处闲逛警谭乔，
路遇违章把话聊。
警光询问那里去？
成华大道二仙桥！
《听许巍到西12的日子》

• 操作系统的生成
  满足特定硬件环境和用户需要，组装和构建操作系
  统过程。

• 操作系统生成的主要步骤

1. 根据硬件环境/用户要求配置功能模块和构造参数
2.  构建（build ）OS

• 实模式（实地址模式，REAL MODE ）

1. 程序按照8086寻址方法访问0~FFFFFh（1MB）空间
2. 寻址方式：物理地址（20位）=段地址：偏移地址。
3. CPU单任务运行

实模式 存取的1M 空间
前面640K 【00000 -- 9FFFF】 ：基本内存
中间128K 【A0000 -- BFFFF】 ：显卡显存
末尾256K 【C0000 -- FFFFF】 ： BIOS
Fireware,固件
C0000 -- C7FFF：显示卡BIOS
C8000 -- CBFFF：IDE控制器BIOS
F0000 -- FFFFF：系统BIOS 功能:

1. CMOS设置
2. 基本I/O设备中断服务
3. POST(上电自检)
4. 系统自举
   AH=02功能：读扇区
   ES:BX＝缓冲区的地址

• 保护模式（内存保护模式，PROTECT MODE ）

1. 寻址方式：段（ 16位）和偏移量（ 16位），寻址4GB
   段页式虚拟内存管理机制(段，页）
   段的属性：起始地址，存取属性，权限级别，…
   新增32位寄存器：GDR,LDR,CR0,CR1,CR2,…
2. 虚拟地址，进程，封闭空间
3. 应用程序和操作系统的运行环境都被保护
4. CPU支持多任务

• 按下PowerOn 或者Reset 键
  开始执行（ FFFF0 ）单元的指令
  JUMP POST ; POST：加电自检
  POST之后……
   查找显卡BIOS ，调用显卡 BIOS ；
  依次查找其它设备执行相应设备的BIOS ；
  根据用户指定顺序从硬盘或光驱等媒介启动OS 。
   OS 启动后，由OS 接管计算机

OS启动过程
从加电到用户工作环境准备好的过程

1. 初始引导
2. 核心初始化
3. 系统初始化

常见引导程序：
(1）ntldr (WinXP以下)
(2）bootmgr(Vista以上含Win7)
(3）GRUB
(4）LILO

核心初始化
目的：OS内核初始化系统的核心数据
系统初始化
为用户使用系统作准备，使系统处于待命状态

最近抄别人代码好像有点过火了

DOS 操作系统的构成
io.sys: 提供DOS与BIOS的调用接口
msdos.sys: 进程管理、存储管理、文件管理、解释系统调用
command.com:Shell命令和键盘命令解释及执行

MBR:Main Boot Record

1. 和OS 启动相关的数据和代码
2. 存放在主启动扇区（Main Boot Sector ）
3. 512 BYTES
4. 结束：AA55h

写启动相关的数据和代码（Boot Code）

1. MBR扇区 （Master Boot Record Sector）
2. PBR扇区（ Partition Boot Record ）
3. 512字节

• 用户界面的定义
  OS提供给用户控制计算机的机制，又称用户接口

用户界面的类型

1. 操作界面
2. 系统调用 (System Call，系统功能调用,程序界面)

Bash的主要功能

1.  命令行编辑功能
2.  命令和文件名补全功能
3.  命令历史功能
4.  命令别名功能
5.  提供作业控制功能
6.  具有将命令序列定义为功能键的功能
7.  管道与重定向
8.  Shell Script 脚本编程

单曲：《野火一季》

增加指令：自陷指令或系统调用指令

系统调用的特点

1. 一般涉及核心资源或硬件的操作
2. 运行于核态。
3. 每个系统调用具有唯一的编号：ID
4. 调用过程会产生中断：自愿中断

LINUX 系统调用的实质

1. 系统调用是Linux内核的出口。 ？？？？？
2. 系统调用通过软中断(INT 80H)向内核发出服务请求
3. 系统调用采用API方式向用户提供，遵循 POSIX标准

4+P191

女生一般不会主动
除非她特别特别特别特别特别特别特别特别特别
特别特别特别特别特别特别特别特别特别特别特别
特别特别特别特别非常非常非常非常非常非常非常
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喜欢你

描述和管理程序的“运行过程”——进程

进程定义
进程是程序在某个数据集合上的 一次运行 活动。
 数据集合：软/硬件环境，多个进程共存/共享的环境
进程的特征

1. 动态性
    进程是程序的一次执行过程，动态产生/消亡
2. 并发性
    进程可以同其他进程一起向前推进；
3. 异步性
    进程按各自速度向前推进
4. 独立性
    进程是系统分配资源和调度CPU的单位；

进程与程序的区别
动态与静态
 进程是动态的：程序的一次执行过程
 程序是静态的：一组指令的有序集合
暂存与长存
 进程是暂存的：在内存驻留
 程序是长存的：在介质上长期保存。
程序和进程的对应
 一个程序可能有多个进程。

Linux 进程分类 （按运行特点分）
1)交互进程
2)批处理进程
3)守护进程（ daemon进程）

进程的状态
1.运行状态（Running）
 进程已经占有CPU，在CPU上运行。
2.就绪状态（Ready）
 具备运行条件但由于无CPU，暂时不能运行
3.阻塞状态（Block）【等待（Wait）】
 因为等待某项服务完成或信号来到而不能运行的状态
 例如等待：系统调用，I/O操作，合作进程的服务或信号…

就绪 运行：进程调度
运行 就绪：时间片到；被抢占
运行 阻塞：服务请求；等待信号
阻塞 就绪：服务完成；信号来到

挂起(suspend) 和 解挂(resume ，激活activate)

1.  挂起：用户或OS将进程有意暂停； 解挂：将挂起的进程继续。
2. 阻塞：活动阻塞（正常阻塞）和静止阻塞（阻塞时挂起） ；
3. 就绪：活动就绪（正常就绪）和静止就绪（就绪时挂起） 。

进程挂起
typedef DWORD (WINAPI
*NtSuspendProcess)(HANDLE ProcessHandle );
 进程继续
typedef DWORD ( WINAPI
*NtResumeProcess )( HANDLE hProcess ) ;

Linux进程的状态

1.  可运行态
   就绪运行：
2.  阻塞（等待）态
   浅度阻塞：TASK_INTERRUPTIBLE（可中断）
   深度阻塞：TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断）
3.  僵死态：TASK_ZOMBIE
4.  挂起态：TASK_STOPPED

进程控制块 (Process Control Block ， PCB)

1. 描述进程的状态、资源、和相关进程的关系的一种数据结构。
2.  PCB是进程的标志
3.  创建进程时创建PCB；进程撤销后PCB同时撤销

进程控制的概念
在进程生存全期间，对其全部行为的控制
四个典型的控制行为

1. 创建进程
2. 撤消进程
3. 阻塞进程
4. 唤醒进程

原语
由若干指令构成的具有特定功能的函数
具有原子性，其操作不可分割
 进程控制原语

1. 创建原语
2. 撤消原语
3. 阻塞原语
4. 唤醒原语

子进程由fork( )创建后，通常处于就绪状态

exec函数族（ 包括若干函数）
功能
装入一个指定的可执行程序运行
使子进程具有和父进程完全不同的新功能。
步骤

1. 根据文件名找到相应的可执行文件。
2. 可执行文件的内容填入子进程的地址空间
3. exec调用成功就会进入新进程执行且不再返回。
4. exec调用失败返回-1，继续在克隆来的地址空间中从调用点向下执行

线程的概念（ Thread ）

1. 线程比进程更小，是进程的一个执行路径。
2. 创建一个线程比创建一个进程开销要小得多。
3. 一个进程可以创建多个线程；
4. 线程间通信十分方便
5. 多个线程共享CPU可以实现并发运行
   线程的应用：如果把程序中某些函数创建为 线程 ，
   那么这些函数将可以 并发 运行！

AfxBeginThread(线程函数,参数)
CreateRemoteThread(进程,线程函数,参数)
pthread_create(线程函数,参数)

进程的 互斥 关系
多个进程由于共享具有独占性的资源，必须协调各进程对资
源的存取顺序：确保没有任何两个或以上的进程同时进行资
源的存取操作

临界区[ [Critical Section]
进程中访问临界资源的程序段

硬件方法

1. 中断屏蔽
2. 测试并设置
3. 交换指令
   软件方法
4. 锁
5. 信号量

进程的同步关系
 若干 合作进程 为了共同完成一个任务，需要相互协调
运行步伐： 一个进程A A 开始 某个操作 之前必须要求 另一
个进程B B 已经完成 某个操作 ，否则 进程A A 只能 等待

进程的 同步 关系—— 另一种解释
合作进程中某些操作之间需要满足某种先后关系或
某个操作能否进行需要某个前提条件满足，否则只
能等待。

互斥关系属于特殊的同步关系。

设计临界区访问机制的四个原则

1. 忙则等待
2. 空闲让进
3. 有限等待
4. 让权等待

进程在运行过程 受 信号灯 控制 ，并能 改变 信号灯 。

1.  进程受控制：进程因信号灯的状态被阻塞或被唤醒。
2.  改变信号灯：信号灯的状态可以被进程改变。

P ，V 是荷兰语：P asseren 通过 ，V rijgeven 释放

信号量 （ Semaphore ）

1.  允许指定数目的多个线程/进程访问临界区。
2.  一种资源计数器，用于限制并发线程的数量。
3.  初值设为N，则表示允许N个进程/线程并发访问资源。

事件（ Event ）
用于通知一个或多个线程某事件出现或标识某操作已经完成。
事件对象的分类
1.自动重置的事件：使用WaitForSingleObject等待到事件对象
变为有信号状态后该事件对象自动变为无信号状态。
2.人工重置的事件：使用WaitForSingleObject等待到事件对象
变为有信号状态后该事件对象的状态不变，除非人工重置事
件。

MOOC课程
4.7.1 匿名管道通信
4.7.2 Linux信号通信

5+P22