操作系统(上)

三部：操作系统(上)：硬件结构；操作系统概述  　　　操作系统(中)：内存管理；进程管理 　　　　操作系统(下)：文件系统；IO管理；调度算法

硬件结构

1.CPU是如何执行程序的?

前提知识:

• 冯诺依曼模型：CPU，内存，输入设备，输出设备，总线。(也可分为：控制器，计算器，存储器，IO)
• CPU
  • 寄存器：通用寄存器(运算中间结果)，程序计数器(下一条指令的地址)，指令寄存器(存放指令)
  • 控制器
  • 运算器
• 总线
  • 地址总线：用于指定CPU将要操作的内存地址
  • 数据总线：用于读写内存中的数据
  • 控制总线：发送和接收信号:比如中断,设备复位等
• 位宽
  • 线路位宽：其实总线传输的是电压,比如高压代表1，低压代表0 。一次只传输一个比特，效率太低，就需要把好多线"捆"在一起，一起传输,增加效率。
  • CPU位宽：一次读取数据的大小。这个数据就是比特,就是读取总线传过来的数据

1. 我们写的程序经过编译器编译成机器指令，生成一个可执行文件(.exe)。当用户点击可执行文件的时候，将指令和数据加载到内存中。
2. 控制器通过程序计数器读取到下一条指令的地址，控制器就通过地址总线找到需要访问的内存空间，将内存空间的指令通过数据总线放入指令寄存器中。
3. 控制器再分析指令寄存器的指令。如果是计算类型的指令，就交给运算器；如果只存储类型的指令，就交给控制器。
4. 控制器执行完指令之后，程序计数器进行自增，指向下一条指令。这个自增的大小，取决于CPU的位数，比如CPU是32位，就自增4。　　                                                       以上这个步骤不断循环，叫做CPU 的指令周期。

2.　  64 位相⽐ 32 位 CPU 的优势在哪吗？64 位 CPU 的计算性能⼀定⽐ 32 位 CPU ⾼很多吗？

　　你知道软件的 32 位和 64 位之间的区别吗？再来 32 位的操作系统可以运⾏在 64 位的电脑上吗？

　　64 位的操 作系统可以运⾏在 32 位的电脑上吗？如果不⾏，原因是什么？

• 所有的数据都转换为2进制，CPU的位是指一次读取数据的大小。比如一个非常大的数的二进制大于32位，32位的cpu就不能一次读取完毕，就得进行多次的读取。但是我们开发中很少用到那么大的数据，所以只有运算大数字 的时候，64 位 CPU 的优势才能体现出来，否则和 32 位 CPU 的计算性能相差不大。
• 硬件的位数指"CPU的位宽"，软件的位数指“指令的位宽”。如果 32 位指令在 64 位机器上执行，需要⼀套兼容机制，就可以做到兼容运行了。但是如果 64 位指令在 32 位机器上执行，就比较困难了，因为 32 位的寄存器存不下 64 位的指令。操作系统也是一种软件，所以不可以运行在32位的机器上。

3.你知道存储器的层次关系吗?(机械硬盘、固态硬盘、内存这三个存储器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？)

 

 

 

•  CPU L1 Cache的速度：1纳秒
• 内存的速度： 100 纳秒
• SSD固态硬盘的速度：150 微妙
• HHD机械硬盘：10毫秒

 4.如何写出让 CPU 跑得更快的代码？

• 随着科技的发展，CPU与内存的速度相差越来越大。这时候就加入CPU Cache进行缓存。如果cpu每次都可以命中缓存,那么它就会更快。
• CPU L1 Cache 分为数据缓存和指令缓存，因⽽需要分别提⾼它们的缓存命中率。
  • 对于数据缓存，我们在遍历数据的时候，应该按照内存布局的顺序操作，这是因为 CPU Cache 是根据 CPU Cache Line 批量操作数据的，所以顺序地操作连续内存数据时，性能能得到有效的提升；
  • 对于指令缓存，有规律的条件分支语句能够让 CPU 的分支预测器发挥作用，进⼀步提高执行的效率；
• 解释一下上面的CPU Cache Line 批量操作数据：
  • 内存地址映射到 CPU Cache 地址里的策略有很多种，其中比较简单是直接映射 Cache，它巧妙的把内存地址拆分成「索引 + 组标记 + 偏移量」的⽅式，使得我们可以将很⼤的内存地址，映射到很小的 CPU Cache 地址里。
  • 简单的说，就是每次Cache读取内存数据是按照一行一行读。

5.CPU缓存一致性？

 cpu缓存就相当于我们使用的redis,现在如何保证数据更新,缓存也更新？而且cpu Cache还存在多核访问的情况，还得保证多核一致性(并发问题)？

通过以下方式保证写时一致:

• 写直达：将数据写入CPU Cache中和内存中。这种方式简单直观，但是多次和内存交互就会使得性能下降。
• 写回：先判断缓存是否命中，没有命中直接写入内存。命中的数据只需要更新Cache中的数据就行,不需要写入内存中。会在更新Cache数据后，将这个数据标记为脏数据，只有脏数据被替换时，才需要写入内存中。尽可能减少写入内存的操作。

如下图展示了CPU多核的模型

 

 

 问题：核心1更新L3 Cache后，就需要通过一定的技术告诉核心2。

• 写传播：也就是当某个 CPU 核心发生写入操作时，需要把该事件广播通知给其他核心；通过总线嗅探技术。
• 事务串行化：保证了事务串行化才能保证数据的一致性；通过MESI协议(基于总线嗅探机制的 MESI 协议)。
  • Modified：已修改
  • Exclusive：独占
  • Shared：共享
  • Invalidated：已失效
    
  • MESI规定了以上的四种状态，整个 MSI 状态的变更，则是根据来自本地 CPU 核心的请求，或者来自其他 CPU 核心通过总线传输过来的请求，从而构成⼀个流动的状态机。比如：A核心写入自己Cache一个数据，数据开始状态为【独占】，把数据放入L3 Cache后，数据状态变为【共享】。此时B核心就能读取这个数据，当A核心需要修改该数据时，就发出一个广播，让B核心内的数据变为【无效】。当修改完之后，数据变为【已修改】，就会通过总线嗅探把该数据重新发送给B核心。

6.伪共享问题？ 

 伪共享：不需要共享的数据也被共享了。

 

 

 如图：

• A核心操作数字A，B核心操作数字B。但是由于AB数据在同一行，我们知道Cache读取内存数据是一行一行来的。
• 所以修改A 的时候本应该B不用标记为失效。同理，修改B的时候A也不用标记为失效。而这样反反复复失效的情况就成为伪数据。 

 如何避免伪数据？就是让AB数据不要在同一行

• Cache Line 大小字节对齐
• 字节填充法

7.什么是软中断？

 操作系统收到了中断请求，会打断其他进程的运行，所以中断请求的响应程序，也就是中断处理程序，要尽可能快的执行完，这样可以减少对正常进程运行调度地影响。

因为执行中断程序过长，万一有新的中断，就来不及处理。所以为了尽可能快的处理中断，把一次中断分为两个阶段。

• 上半部，对应硬中断，由硬件触发中断，用来快速处理中断；
• 下半部，对应软中断，由内核触发中断，用来异步处理上半部未完成的工作；Linux 中的软中断包括网络收发、定时、调度、RCU 锁等各种类型。

 

 

操作系统概述

1.解释一下什么是操作系统？

 控制和管理整个计算机系统的"硬件资源"和"软件资源"。

 

 

 

2.操作系统的主要功能

• 内存管理，进程管理，文件系统管理，IO管理(设备管理)

3.为什么 Linux 系统下的应用程序不能直接在 Windows 下运行

•  Linux 系统和 Windows 系统的格式不同，格式就是协议。
  • Linux 下的可执行程序文件格式是 elf。
  • Windows下的可执行程序是 PE 格式，它是一种可移植的可执行文件。
• Linux 系统和 Windows 系统的 API 不同。
  • Linux 中的 API 被称成系统调用，是通过 int 0x80 这个软中断实现的。
  • Windows 中的 API 是放在动态链接库文件(DLL)中的,里面包含代码和数据。

4.操作系统结构

 更新中~

5.什么是内核？什么是用户态和内核态

• 内核：内核是一个计算机程序，它是操作系统的核心，可以控制操作系统中所有的内容。内核通常是在 boot loader 装载程序之前加载的第一个程序。
  • boot loader 又被称为引导加载程序，它是一个程序，能够将计算机的操作系统放入内存中。
  • 在电源通电或者计算机重启时，BIOS(基本输入输出设备)会执行一些初始测试，然后将控制权转移到引导加载程序所在的主引导记录(MBR)。
• 内核空间：这个内存空间只有内核程序可以访问；具有最高权限，可以直接访问所有资源；程序使用内核空间时，称为内核态。
• 用户空间：这个内存空间专门给应用程序使用；只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。程序使用用户空间时，称为用户态。
• 那么为什么要有用户态和内核态呢？
  • 这个主要是访问能力的限制的考量，计算机中有一些比较危险的操作，比如设置时钟、内存清理，这些都需要在内核态下完成。
  • 如果随意进行这些操作，那你的系统得崩溃多少次。

6.内核的架构

• 宏内核:整个内核像⼀个完整的程序,包含进程管理,内存管理，文件系统管理，设备驱动等。(linux)
• 微内核:有⼀个最⼩版本的内核，⼀些模块和服务则由用户态管理。比如文件管理，设备驱动就在 用户态。这就有一个问题,用户态就需要频繁的切换到内核态操作底层，消耗资源。(鸿蒙系统)
• 混合内核:有一个最小版本的内核，但是整个内核中也有整个模块,相当于宏内核和微内核结合。(windows)

 

7.用户态和内核态是如何切换的？

有一些操作，必须在内核态才能完成，比如读取硬盘数据，读取键盘的数据。但是用户态的程序有时候需要这些操作，所以必须进行转化：用户态->内核态->用户态

• 首先用户程序会调用 glibc 库，glibc 是一个标准库，同时也是一套核心库，库中定义了很多关键 API。
• glibc 库知道针对不同体系结构调用系统调用的正确方法，它会根据体系结构应用程序的二进制接口设置用户进程传递的参数，来准备系统调用。
• 然后，glibc 库调用软件中断指令(SWI) ，这个指令通过更新 CPSR 寄存器将模式改为超级用户模式，然后跳转到地址 0x08 处。
• 到目前为止，整个过程仍处于用户态下，在执行 SWI 指令后，允许进程执行内核代码，MMU 现在允许内核虚拟内存访问
• 从地址 0x08 开始，进程执行加载并跳转到中断处理程序，这个程序就是 ARM 中的 vector_swi()。
• 在 vector_swi() 处，从 SWI 指令中提取系统调用号 SCNO，然后使用 SCNO 作为系统调用表 sys_call_table 的索引，调转到系统调用函数。
• 执行系统调用完成后，将还原用户模式寄存器，然后再以用户模式执行。

8.什么是实时系统？

实时操作系统对时间做出了严格的要求，实时操作系统分为两种：硬实时和软实时

• 硬实时：规定某个动作必须在规定的时刻内完成或发生，否则会产生永久性伤害。
• 软实时：虽然不希望偶尔违反最终的时限要求，但是仍然可以接受。并且不会引起任何永久性伤害。

9.Linux 操作系统的启动过程

 更新中~