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operating system.md

File metadata and controls

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操作系统复习

Introduction 1

什么是操作系统

  • 在用户和计算机硬件之间的中介
  • OS是个软件 ——一个虚拟化计算机的程序
digraph g{
    App[label="Application"]
    OS[label="Operating System"]
    App->OS->App
    OS->CPU->OS
    OS->Memory->OS
    OS->Devices->OS
}

OS的作用：

  • 物理机层面（CPU Memory Devices）：分配资源
  • 虚拟机层面（Application）：控制程序

History of OSs

No OS->Simple Batch Systems->Batch System->Multiprogramming systems->Time sharing system->Modern System

系统类型

分布式系统 Distributed System

优点：loosely-coupled 松耦合

  • 资源共享
  • 提高计算速度
  • 更可靠
  • 交互性强

并行系统 Parallel Operating System

多处理器 紧耦合

  • 所有处理器共享时钟、总线、内存

两类

  • 对称并行 Symmetric multiprocessing
    • 每个CPU没有差别
  • 非对称并行 Asymmetric multiprocessing
    • 每个CPU有特定功能

优点

  • 提高吞吐量
  • 提高可靠性
  • 规模经济

集群系统 Clustered Systems

  • 和并行系统不同
    • 由多个独立系统组成
  • 和分布式系统不同
    • 共享存储

实时系统 Real time System

硬实时：保证所有任务都在deadline之前完成 软实时：尽最大努力

无处不在的系统 Ubiquitous Systems

未来 更关注人机交互 安全

Introduction 2

计算机系统四大组成

User：使用系统的角色，不一定是人 Application programs Operating system Hardware

启动过程 Startup process

  1. 打开电源
  2. CPU通过系统时钟初始化
  3. 在BIOS中找到启动程序的CPU的第一条指令
  4. 执行开机自检(POST)，检查所有硬件设备

Bootstrap program 启动程序 很重要，在开机或重启的时候加载 -一般写在ROM或EPROM中，称为固件 firmware

运行过程 Running process

OS等待人去交互

多个任务如何共享一个CPU？

  • 中断 interrupt

I/O操作

  • IO设备可以和CPU同时执行
    • I/O在设备和控制器缓存（controller's buffer）之间转移数据
    • CPU在控制器和主存之间转移数据
  • I/O设备访问
    • Memory Mapped I/O（CPU就像访问内存一样访问I/O）
    • Programmed I/O（每个控制寄存器都分配一个I/O端口号，CPU使用特定的I/O指令去读写寄存器）

轮询和中断 Polling or Interrupt

轮询

CPU不断读状态寄存器直到有任务 -效率不高

中断

谁有需要谁就主动通知CPU -硬件触发通过总线 软件触发通过系统调用

大部分OS都是中断的

操作系统的服务

  • 程序执行 Program execution
  • I/O操作 I/O operations
  • 文件系统的操作 File-system manipulation
  • Communications 在进程间传递消息
  • 错误检测 Error detection

额外的功能

  • 资源分配 Resource allocation
  • 账号管理 Accounting
  • 保护 Protection

所有操作系统共同的系统组件

  • Process Management
  • Main Memory Management
  • File Management
  • I/O System Management
  • Secondary Management
  • Networking
  • Protection System
  • Command-Interpreter System

Process management 进程管理

一个进程是一个正在执行的程序

进程管理负责

  • 进程的管理和删除
  • 进程的暂停和恢复
  • 提供机制为
    • 进程同步
    • 进程交流

Main Memory Management 主存管理

主存管理负责

  • 追踪哪部分内存正在被使用，被谁使用
  • 决定当内存空间可用时哪个进程被加载
  • 在需要时分配和收回内存空间

File management 文件管理

一个文件是由它的创建者定义的一系列相关信息的集合

文件管理负责

  • 文件的创建和删除
  • 文件夹的创建和删除
  • 支持基本的管理文件和文件夹
  • 映射文件到辅助存储器
  • 备份文件到稳定的存储介质

I/O system management I/O系统管理

I/O系统包含

  • 缓存系统
  • 通用设备驱动接口
  • 特定硬件设备的驱动

Secondary-storage management 辅存管理

大部分计算机系统使用磁盘

磁盘管理负责

  • 空闲空间管理
  • 存储分配
  • 磁盘调度

Process & thread 1

什么是进程 Process

Process——a program in execution 一个执行过程中的程序

  • Program（executable）：磁盘上的passive实体
  • Process：active entity被激活的实体，包含
    • 程序计数器
    • 栈
    • 堆
    • 文本
    • 数据

什么是程序 Program

一个程序包含

  • Code
  • Data
  • DLLs 动态链接库
  • mapped files

Running a program 运行一个程序

  • OS创建一个进程，并为它分配内存

Process vs Program

  • 两个进程可能和同一个程序相关联
  • 两条单独执行的顺序
  • 文本部分相同，数据、堆、栈都不同

Process states 进程状态

一个进程执行时，它会改变状态

基本状态

  • running：指令正在执行
  • waiting：进程等待某个事件发生
  • ready：进程等待分配给CPU

扩展状态

  • new：进程被创建
  • terminated：进程结束执行

process states

为什么waiting之后不能直接running？
如果有两条队列都能进入running状态，调度很麻烦。同时只有一条队列进入running队列也对所有进程公平。

Process creation 进程创建

四种典型事件

  • 系统初始化
  • 用户请求创建
  • 系统调用相应接口
    • Unix:fork()
    • Windows:CreateProcess()
  • 开启一个批处理任务

Process hierarchies 进程层次

父进程可以创建子进程，子进程可以继续创建子进程，形成进程树

Process relationships 进程关系

Resource sharing

  • 父子进程共享全部资源
  • 子进程分享父进程资源的子集
  • 父子进程不共享资源

Execution

  • 父子进程同时执行
  • 父进程等子进程结束再执行

Address space

  • 子进程复制了父进程的地址空间
  • 子进程有专门的程序加载地址空间

Independent or cooperating

Process termination 进程结束

  • 正常退出（自愿）
  • Error exit（自愿）
  • Fatal error（强制） 致命错误
  • 被其他进程杀死

Exit 正常退出 Abort放弃

Process and threads 2

Data structure of a process

Process control block(PCB)进程控制块

和每个进程相关联的信息，包含：

  • Process state 进程状态
  • Program counter 程序计数器
  • CPU register 寄存器：为了能让CPU离开进程后回来还能执行
  • CPU scheduling information CPU调度信息
  • Memory-management information 内存管理信息
  • Account information（本课程不学习）
  • I/O status information（本课程不学习）

Organization model 进程组织模型

进程被组织成不同的队列

  • Ready一条 Ready queue
  • New一条 Job queue
  • Waiting一条或多条 不同的设备可以放到不同的队列 Device queues

Process scheduling 进程调度

进程被需要触发的事件驱动，从一条队列转移到另一条队列

调度类型

  • Long-term scheduling(or job scheduling) 长程调度 从job queue中选一个到ready queue中 内存可用时,从磁盘中移出一个到内存 不太频繁，速度慢
  • Short-term scheduling(or CPU scheduling) 短程调度 从ready queue中选一个到running 更加频繁，速度必须快
  • Interrupt handling 中断处理 从waiting到ready
  • Medium-term scheduling CPU和内存资源管理的混合 swapping：一个进程需要长期等待时，把它先移动到磁盘，把其他进程移入内存

Scheduling actions

当CPU从一个进程切换到另一个进程时，系统要保存旧进程的状态，加载新进程的状态。这个过程叫 上下文切换 context switch

线程 Threads

在进程之间切换越快越好，而创建进程和进程通信工作量很大，所以产生了线程 线程有

  • 独立的 PC, Register, Stack pointer
  • 共享的 Code, Data, File

进程是资源的拥有者 线程用来调度任务 thread.png

超线程和多核

超线程
digraph hyper_threading{
    table [ shape = "plaintext", label = <
        <table border="1" cellspacing="0">
        <tr>
        <td port="r1">Register</td>
        <td port="r2">Register</td>
        </tr>
        <tr>
        <td colspan="2">ALU</td>
        </tr>
        <tr>
        <td colspan="2" port="cache">Cache</td>
        </tr>
        </table>
        >]
    mm [label="Main memory", shape="plaintext"]
    lp1 [label="Logical processor", shape="plaintext"]
    lp2 [label="Logical processor", shape="plaintext"]
    table:cache->mm->table:cache
    lp1->table:r1
    lp2->table:r2
}
多核
digraph multicore{
    table [ shape = "plaintext", label = <
        <table border="1" cellspacing="0">
        <tr>
        <td port="r1">Register</td>
        <td port="r2">Register</td>
        </tr>
        <tr>
        <td>ALU</td>
        <td>ALU</td>
        </tr>
        <tr>
        <td port="c1">Cache</td>
        <td port="c2">Cache</td>
        </tr>
        </table>
        >]
    mm1 [label="Main memory", shape="plaintext"]
    mm2 [label="Main memory", shape="plaintext"]
    pp1 [label="Physical processor", shape="plaintext"]
    pp2 [label="Physical processor", shape="plaintext"]
    table:c1->mm1->table:c1
    table:c2->mm2->table:c2
    pp1->table:r1
    pp2->table:r2
}

两类线程

  • 用户线程 用户层级 所有线程在user space中完成
  • 内核线程 OS直接执行