OS1️⃣概述
1、计算机知识
1.1、结构
1.1.1、软件
- 普通软件：如 web 浏览器、音乐播放器等。
- 用户接口程序：基于文本的 Shell，基于可视化界面的 GUI。
- 操作系统：Kernel（内核）。
1.1.2、硬件
CPU、存储器、磁盘、打印机、键盘鼠标、显示器、网络接口、I/O 设备等。
| 说明 | 相关知识 | |
|---|---|---|
| CPU | 从内存中取出指令，解码并执行，重复此过程。 | 调度，寄存器，流水线机制，系统调用，多线程 |
| 存储器 | 理想状态：迅速，充分大，便宜。 | 缓存（L1, L2），主存 |
| 磁盘 | 内存管理（物理，虚拟） | |
| I/O 设备 | 包括设备控制器，设备本身。 | 中断处理，设备驱动 |
1.2、运行模式
-
内核态：
- OS 所处的模式。
- 具有对所有硬件的完全访问权，可执行机器支持的任何指令。
-
用户态：
- OS 以外的软件所处的模式。
- 仅使用机器指令的一个子集，会影响机器控制或进行 I/O 操作的指令会被禁止。
1.3、启动
相关知识
- BIOS：基本输入输出系统，内置底层 I/O 软件。
- bootloader：加载 OS。
- 加载：将资源从磁盘载入到内存中。
计算机启动流程
- BIOS
- 检查 RAM 数量，确认键盘、显卡等基本设备已安装并正常响应。
- 扫描总线，查找总线上连接的所有设备。
- 根据设备清单决定 boot device（启动设备）。
- 加载 boot device 的第一个扇区并执行，确定活动分区。
- 从活动分区中读入 bootloader（启动装载模块）。
- bootloader：被读入 OS 并启动（可理解为加载 OS）。
- OS：
- 询问 BIOS 以获取配置信息。
- 检查每个设备的驱动程序是否存在，不存在则需下载。
- 将设备调入内核，初始化有关表格，创建需要的背景进程。
- 在每个终端上启动登录程序或 GUI。
2、操作系统（❗）
2.1、理解
操作系统（Operating System, OS）
没有完整、精确、公认的定义，可从功能角度来理解。
-
用户视角：为用户程序提供资源集的清晰抽象，隐藏底层复杂的访问细节。
（OS 封装了对硬件的操作，将简化后的接口提供给用户程序。）
-
程序视角：管理硬件资源。
（OS 负责在相互竞争的程序之间，有序地控制对 CPU、存储器、IO 等硬件资源的分配。）
2.2、特征
| 含义 | 说明 | |
|---|---|---|
| 并发 | 一个时间段内运行多个进程，由 CPU 调度执行。 | 并行：一个时间点运行多个进程； 串行：一个时间点只能运行一个进程。 |
| 共享 | 硬件资源共享 | 同时共享：不可修改的资源； 互斥共享：线程相互依赖，或资源不可同时使用。 |
| 虚拟 | 利用程序抽象技术，让用户程序认为自己独享一套硬件资源 | CPU：进程 磁盘：文件 内存：地址空间 |
| 异步 | 程序不会一直执行，而是“走走停停” | 取决于 CPU 调度 |
2.3、结构设计
| 含义 | 特点 | |
|---|---|---|
| 单体系统 | 整个 OS 在内核态以单一程序方式运行 | 各过程之间可自由调用，任一过程的崩溃会连累整个系统。 |
| 层次化系统 | 具有层次式结构 | 上层软件在下层软件的基础上构建 |
| 微内核 | 将 OS 划分为较小的良好定义的模块，微内核运行在内核态，其余模块作为普通用户进程运行 | 思想：尽可能减少内核态的功能，高可靠性 |
| 客户端-服务器模式 | 将进程划分为服务器（提供服务）和客户端（使用服务） | 基于消息传递方式进行通信 |
| 虚拟机 | 裸机硬件的精确复制品 | 每个虚拟机具有一套完整的硬件资源 |
| 外核 | 为虚拟机分配资源，限制机器只能使用分配到的资源 | 目的：保持多个虚拟机彼此不发生冲突 |
2.4、OS 的交互（❗）
| 来源 | 场景 | 时间 | |
|---|---|---|---|
| 中断 | 外设 | 需要访问硬件资源 | 异步：无法确定发生时间 |
| 异常 | 用户程序 | 执行过程中发生意外 | 同步：发生异常时立即通知 OS |
| 系统调用 | 用户程序 | 执行过程中需要系统服务 | 同步或异步：发起系统调用请求时立即通知 OS，可以异步等待结果 |
2.4.1、中断
interrupt
当外设需要访问硬件资源时，向 OS 发起中断请求。
- 外设：发起中断请求。
- 硬件：查询中断表得到中断事件 ID，设置中断标记。
- 软件（OS）：
- 保存进程状态（e.g. 寄存器数据）。
- 根据中断事件 ID 跳转到相应中断服务程序，进行处理。
- 清除中断标记。
- 恢复进程状态。
2.4.2、异常
exception
当用户程序执行过程中发生意外（e.g. 非法指令，内存出错）时，通知 OS 发生异常。
- 软件（用户程序）：发生意外，通知 OS 发生异常。
- 软件（OS）：保存进程状态，根据异常 ID 进行异常处理。
- 可处理：处理异常后继续执行，恢复进程状态。
- 无法处理：杀死进程。
2.4.3、系统调用
system call
当用户程序在执行过程中（用户态）需要系统服务时，将控制转移到操作系统。
- 软件（用户程序）：准备参数，执行 TRAP 或系统调用指令，将控制转移到操作系统（内核态）。
- 软件（OS）：
- 通过指令参数，查找所需的调用进程。
- 执行系统调用。
- 将控制返回给用户程序。
特点
用户程序通常不会直接调用系统调用指令，而是调用已封装的高级 API。
- Windows：Win32 API
- POSIX-based（如 UNIX，LINUX，Mac OS X）：POSIX API
- JVM：Java API
