《操作系统导论》学习笔记（一）：操作系统概览
目录
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- 概览
- 为什么需要操作系统？
- 虚拟化(virtualization)
- 并发性(concurrence)
- 持久化(persistence)
- 重要概念
- 参考资料
该系列文章主要为《操作系统导论》（Operating Systems: Three Easy Pieces) 的学习笔记，同时期间会穿插一些便于理解的资料。
概览
操作系统导论从虚拟性、并发性和持续性等3个设计操作系统的本质出发，并将传统操作系统的进程管理、内存管理、文件管理、I/O管理贯穿其中。
| 虚拟化 | 并发性 | 持久化 | |
|---|---|---|---|
| 进程管理 | 进程调度 | 线程，死锁，进程同步 | |
| 内存管理 | 内存管理 | ||
| 存储管理 | I/O系统 | 文件系统，大型存储器 |
为什么需要操作系统？
计算机系统从下至上大致可分为计算机硬件、操作系统、系统和应用软件。用户工作在软件层，使用Word、Matlab等软件完成自己的目的，而从硬件的角度，计算机仅是CPU取指令(fetch)、译码(decode)、执行(execute)的过程。那么如何合理地将应用软件与硬件衔接起来，这就需要引入操作系统软件作为两者的接口。
操作系统软件的本质是无限循环的程序，开机以后便不断接受用户指令，直到强制关机才结束程序运行。基于macOS、linux等系统，并下载common.h等头文件，我们可模拟操作系统运行过程：
// cpu.c
#include \n" );
exit(1);
}
char *str = argv[1];
while (1) {
Spin(1);
printf("%s\n", str);
}
return 0;
}
Spin()函数:位于common.h，使程序输出间隔一段时间
gcc -o 执行文件名 源文件名：编译源文件
Wall：编译后显示所有警告
Werror：将所有的警告当成错误进行处理
执行命令hello，我们可以发现该程序会不停输出hello，直至强制结束程序。
多输入几条命令，该程序会同时输出3条命令，从而使用户产生有多个CPU在同时执行命令的错觉(illusion)，这就是CPU的虚拟化。
虚拟化(virtualization)
虚拟化是把一个物理上的实体映射为若干个逻辑上的对应物，实现方法有时分复用及空分复用。我们可模拟内存虚拟化，并通过getpid()获取进程号，指针p更新数据并获取数据存储地址。
// mem.c
#include \n" );
exit(1);
}
int *p = malloc(sizeof(int));
assert(p != NULL); // getpid() 进程识别码 p 指向内存的指针
printf("(pid:%d) addr of p: %llx\n", (int)getpid(), (unsigned long long)p);
printf("(pid:%d) addr stored in p: %llx\n", (int)getpid(), (unsigned long long)p);
*p = atoi(argv[1]); // assign value to addr stored in p
while (1) {
Spin(1);
*p = *p + 1;
printf("(pid:%d) p: %d\n", getpid(), *p);
}
return 0;
}
此时我的机器上执行两个进程，进程号为11984和11985，存储地址为7fbf56c01720及7fb86cc01720，分别从1000和2000开始每次自增1。
并发性(concurrence)
并发性是宏观上同一时间间隔内运行多个进程，操作系统通过引入进程及线程实现。
// threads.c
#include \n" );
exit(1);
}
loops = atoi(argv[1]);
pthread_t p1, p2; // 声明线程id
printf("Initial value : %d\n", counter);
pthread_create(&p1, NULL, worker, NULL);
pthread_create(&p2, NULL, worker, NULL);
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
printf("Final value : %d\n", counter);
return 0;
}
pthread_create():创建线程，运行相关的线程函数。
第一个参数为指向线程标识符的指针。
第二个参数用来设置线程属性。
第三个参数是线程运行函数的起始地址。
最后一个参数是运行函数的参数。
pthread_join():阻塞当前线程/回收线程资源
第一个参数线程标识符
第二个参数用户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值。
程序创建两个线程执行计数器worker()函数，初值为0，参数loops为1000，结果为2000。但当参数较大时，可能结果小于期望值的情况。这是因为两个计数器线程共享同一个counter，两个线程可能会同时取counter并执行。解决方法就是给counter上锁，即PV操作。
pthread_mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 全局信号量初始化
void *worker(void *arg) {
int i;
for (i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&m); // 上锁
counter++;
pthread_mutex_unlock(&m); // 开锁
}
printf("%d\n", counter);
pthread_exit(NULL);
}
持久化(persistence)
持久化是将瞬时的数据（如内存中的对象）保存到可永久保存的存储设备中（如磁盘）。
// io.c
#include cat命令:查看文件内容
重要概念
操作系统：控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理地控制计算机工作流程，并提供给用户和其他软件方便的接口和环境。
并发性：一段时间内宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。
并行性：两个或多个事件在同一时刻发生，宏观上CPU和I/O设备属于并行，微观上CPU同一时刻运行多个指令，需要引入多级流水或多核处理器实现。
互斥共享：同一时刻只允许单个进程访问临界资源，引入同步机制实现。
时分复用：每个进程轮流占用CPU固定时间，时间一到迅速切换到下一进程。
空分复用：内存划分为固定大小的页框，每个进程也划分为固定大小的页，部分映射到内存中，缺页时利用页面置换算法置换页面。
异步性：进程不是一次性执行完毕，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。
参考资料
《Operating System: three easy pieces》
《Operating System Concepts》
《操作系统导论》学习笔记（二）：CPU虚拟化(进程)