操作系统系列（一）——操作系统概述

本期主题：
操作系统概述

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1.系统的硬件组成：

包括 CPU、IO桥、主存储器、磁盘控制器

1.1 CPU：

中央处理单元，解释存储在主存中的指令；包括了PC、寄存器文件、ALU，PC指程序计数器，寄存器文件存储了一些数据，ALU指算术、逻辑单元；

1.2 主存：

主存是一个临时存储设备，DRAM；

1.3 磁盘：

2.系统的软件组成：

整个计算机的软件体系结构体如下图所示：

对上图的解读：
由上图可以看出，系统内核处于hardware和runtime library之间，runtime Library指的是程序运行时的库，这种库能够往上给应用程序提供API；
因此，操作系统应该做的事情至少包括了对下面的Hardware的管理；
对于一个计算机而言，硬件资源主要就是CPU、存储器（包括内存、磁盘）以及I/O设备，所以从这三个方面看操作系统是怎么在管理这些东西的；

2.1 CPU而言——处理器管理

主要是需要提高CPU的利用率，假设CPU在运行一个程序，但是这个程序是对磁盘的读写，CPU在这个时候完全空闲了下来，这对CPU的利用率而言绝对是种浪费，因此操作系统的人就利用了进程的方式来提高CPU的利用率，每个程序都有自己单独的进程，并且进程有一个优先级的比较，CPU根据进程的优先级来进行调度切换，所以看起来像是在一个时刻运行了多个任务；

处理器管理是操作系统的重要组成部分，负责管理、调度和分派计算机系统的重要资源处理器，并控制程序执行，由于它是操作系统中最核心的部分，无论是应用程序，还是系统程序，最终都要在处理器上执行，以实现其功能，因此，它的优劣直接影响系统的性能。程序以进程形式来占用处理器和系统资源，处理器管理中最重要的是处理器调度，即进程调度，也就是控制、协调进程对处理器的竞争。

进程可被调度在一个处理器上交替执行，或在多个处理器上并行执行，不同类型的操作系统可能采用不同调度策略，交替和并行执行都是并发的类型。为了提高并发粒度和降低并发开销，现代操作系统又引进线程概念，此时进程仍然作为资源分配和管理单位，线程则成为处理器调度的基本单位。本章在简要介绍处理器的硬件运行环境后，首先着重介绍计算机系统的中断机制，然后详细论述进程和线程的基本概念及其实现，最后全面讨论各个层次的处理器调度方法。 本章将讲述：处理器与寄存器、指令与处理器模式、中断、中断源、中断系统、多中断的响应与处理、进程及其状态、进程的数据描述、进程的管理、进程切换与模式切换、多线程技术概述、KLT与ULT、多线程实现的混合策略、处理器调度的层次、处理器调度算法。

2.2 内存的管理，这是个大话题

程序只有装载在内存中才能去真正的运行，所以就有这么一个问题，计算机有限的物理内存如何给这么多程序去跑呢？
假设这么一个场景，计算机的实际物理内存为200M，程序A需要适应50M，程序B需要使用100M，最简单的分配方式就是直接分配，给A50M，给B100M，这个时候又来了一个程序C，需要200M，那在这种情况下，只能把原来的A和B的数据程序存到磁盘中，再跑C，这样就至少会存在这么几个问题：
（1）效率太低了，涉及不停的内存的切换来切换去；
（2）对整个操作系统而言有风险，假如A程序有个bug，因为直接在跑的是物理地址，这样的话A程序就有可能不小心改动了某个物理地址的值，可能会导致运行在其他物理地址的其他程序出问题，这样很不合理；
因此添加中间层，这一层就是虚拟地址，然后虚拟地址通过某种映射的方式能够转成物理地址，通过虚拟内存能解决上述的第二个问题，但是效率问题还是没有解决，因此提出了分页(page)的概念
提出分页想法的前提是程序的局部性原理，就是说每个程序其实在运行的时候，某个时间段内只是频繁的在用某一小段程序；
因此分页的意思就是将进程的虚拟内存进行分页，然后需要经常使用的就会装载在内存中，而不需要经常使用的，就先放在磁盘里，等需要的时候再去取就可以了

2.3 I/O设备的管理

其实这个意思就是操作系统会去对驱动进行管理，所以对于写应用层的人来说，不用去关心底下的硬件是如何在跑的

操作系统内核是应用程序和硬件之间的媒介，提供了几个基本的抽象：

1.进程：

操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象

2.虚拟内存

操作系统为每一个进程提供了一个假象，像是完全自己在独占一段地址空间

linux管理进程空间布局，以32位的系统为例：
高地址1GB空间分配给内核空间，剩下的空间为userspace

3.文件

UNIX I/O 参考如下这些文章
unix环境之文件IO
unix环境之标准IO

3.Linux的内核

Linux的内核所示，主要由5个部分构成：

1.进程调度（SCHED）

进程调度控制系统中的多个进程对CPU进行访问，使得多个进程能够 “微观串行，宏观并行” 的执行。
讲解Linux的进程调度会涉及到进程的状态机的变化：

1.首先创建完进程之后会进入就绪态，等待进程调度的发生
2.进程调度发生之后，此时CPU处于运行态，当进程所需资源，未被申请到时，驱动一般会调度其他进程运行，使本进程进入休眠模式。
休眠模式具体有两种：
（1）一种是可以被信号唤醒的睡眠
（2）另一种不能被信号唤醒的睡眠
第一种只能被资源到位给唤醒，第二种可以被信号所唤醒，信号可以参考这篇文章UNIX系统信号

2.内存管理（MM）

内存管理的主要作用是控制多个进程安全的共享主内存区域，Linux内存管理对每个进程完成从虚拟地址到物理内存的转换。
以32位的处理器为例，每个linux进程享有4G的内存空间，其中0 ~ 3G属于用户空间，剩下的3 ~ 4G属于内核空间。

3.虚拟文件系统（VFS）

Linux虚拟文件系统隐藏了硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口，对各种文件系统的一个抽象，上层的应用程序提供了统一的vfs_read()、vfs_write()等接口。

4.网络接口（NET）

网络编程参考这一篇文章 linux网络编程（一）——socket通信

5.进程间通信（IPC）

进程间通信包括信号量、共享内存、消息队列、管道、UNIX域套接字等，可以参考下unix环境高级编程——进程间通信之管道以及unix高级环境编程——线程详解的信号量部分