基于项目的操作系统学习

操作系统是计算机专业的核心课，可以说是体现程序员编程技能内功的主要内容。

自己所学的专业也不是正统的计算机科学，而是数学与计算科学，主要方向是算法和计算数学着这一块，而且目前尚处于大二上阶段，操作系统没学，所以遇到好多操作系统相关的概念都非常的困扰。现在趁着在做高性能计算实验这个机会好好的将所遇到的操作系统概念和知识整理出来，现学现用。

多数本科生操作系统的学习，无非就是找本教材从头到尾滚一遍，这样虽然能大致了解整个课程的整体内容，对实际操作功效虽有，但不大。最好的学习方式是，基于一个项目的学习，动手实际操作，活学活用，更助于理解和记忆知识与原理。

好了，废话不多说。开始！

一、超线程

1. 背景：

做NAMD优化时，在官方给出的说明文档中有这么一段

-- Individual Windows, Linux, Mac OS X, or Other Unix Workstations --
Windows, Mac OX X (Intel), and Linux-x86_64-multicore released binaries 
are based on "multicore" builds of Charm++ that can run multiple threads.
These multicore builds lack a network layer, so they can only be used on
a single machine.  For best performance use one thread per processor
with the +p option:

  namd2 +p<procs> <configfile>

For other multiprocessor workstations the included charmrun program is 
needed to run multiple namd2 processes.  The ++local option is also 
required to specify that only the local machine is being used:

  charmrun namd2 ++local +p<procs> <configfile>

在单计算结点上，我使用 namd2 +p4 <configfile>的确是可以在单结点4核心上跑，但是下面那一段就有点不理解了。命令行执行charmrun namd2 +p4 <configfile>成功在单结点上运行了程序，但是效果似乎还没有上一个好。这就奇怪了。

后来查到资料才发现，原来charmrun只是使用超线程，并没有我想象中的在多结点上跑应用。

2. 概念：

超线程：一颗cpu同时执行多个应用程序而共享一颗cpu的资源，理论上要像两颗cpu一样在同一时间执行两个线程。

二、多线程

1. 背景：

之前看MFC相关书籍时看到过有关多线程的内容，可惜急于快速掌握MFC并进行开发，好多重要内容都跳过了。现在学MPI在查阅资料时，又遇到了这东西，索性一次性解决掉它。

2. 概念要点：

• 理解多线程，我们通常理解的应用程序就是一个*.exe文件，当运行*.exe应用程序以后，系统会在内存中为该程序分配一定的空间，同时加载一些该程序所需的资源，其实这就可以称为创建了一个进程。而线程则只是进程中的一个基本执行单元。进程会包含一个进入此入口的线程，我们称之为主线程main。然当在程序处理一个很耗时的任务，如输出一个大的文件或远程访问数据库等，此时的窗体界面程序对用户而言基本像是没反应一样，菜单、按钮等都用不了。因为窗体上控件的响应事件也是需要主线程来执行的，而主线程正忙着干其他的事，控件响应事件就只能排队等着主线程忙完了再执行。为了克服单线程的这个缺陷，Win32 API可以让主线程再创建其他的次线程，但不论是主线程还是次线程都是进程中独立的执行单元，可以同时访问共享的数据，这样就有了多线程这个概念。
• 理解线程异步，对于单CPU而言，在一个单位时间（也称时间片）内，只能执行一个线程，即只能干一件事。当一个线程的时间片用完时，系统会将该线程挂起，下一个时间内再执行另一个线程，如此，CPU以时间片为间隔在多个线程之间交替执行运算（其实这里还与每个线程的优先级有关，级别高的会优先处理）。由于交替时间间隔很短，所以造成了各个线程都在“同时”工作的假象；线程异步就是解决类似前面提到的执行耗时任务时界面控件不能使用的问题。如创建一个次线程去专门执行耗时的任务，而其他如界面控件响应这样的任务交给另一个线程执行（往往由主线程执行）。这样，两个线程之间通过线程调度器短时间（时间片）内的切换，就模拟出多个任务“同时”被执行的效果。
• 补充概念（前台线程与后台线程）。前台线程能阻止应用程序的终止，既直到所有前台线程终止后才会彻底关闭应用程序。而对后台线程而言，当所有前台线程终止时，后台线程会被自动终止，不论后台线程是否正在执行任务。默认情况下通过Thread.Start()方法创建的线程都自动为前台线程，把线程的属性IsBackground设为true时就将线程转为后台线程。
• 多线程难点（并发问题演示）如果只看上面，多线程实在是太简单啦，多个线程无非就是多new几次而已，但是这里面有个问题，就是如果线程访问同一个资源，如网络订票，一个客户买了票，另一个客户再买的话，按道理说应该不能买啦，但是线程是独立运行的，两个线程互不干扰，怎么让另一个线程知道自己访问资源已经被修改了，这就涉及到线程同步的问题啦，同时各种熟悉的概念死锁，并发也来啦。
• 线程同步，线程同步也成为阻塞调用，即没有执行完任务不返回，线程被挂起。可以使用C#中的lock关键字，在此关键字范围类的代码都将是线程安全的。lock关键字需定义一个标记，线程进入锁定范围是必须获得这个标记。当锁定的是一个实例级对象的私有方法时使用方法本身所在对象的引用就可以了

下图是线程A与线程B之间时间片的切换，由于时间极其的短，短到人认识不到，就像人眨眼的时间间隔为0.2～0.4s，如果事件发生时间远于这个间隔，是不会被人感知到的。

三、守护进程

1. 背景：

以前看linux系统的书时经常会接触到这个专业名词。看mpi相关内容时搜到一篇《MPI常用命令》时又遇到了这个问题，之前从《操作系统原理与linux系统实验》这本书彻底理解过这个概念，一时想不起来了，baidu一下后就捡起来了。

2. 概念：

守护进程，也就是通常说的Daemon进程，是Linux中的后台服务进程。它是一个生存期较长的进程，通常独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。守护进程常常在系统引导装入时启动，在系统关闭时终止。Linux系统有很多守护进程，大多数服务都是通过守护进程实现的，同时，守护进程还能完成许多系统任务，例如，作业规划进程crond、打印进程lqd等（这里的结尾字母d就是Daemon的意思）。
由于在Linux中，每一个系统与用户进行交流的界面称为终端，每一个从此终端开始运行的进程都会依附于这个终端，这个终端就称为这些进程的控制终端，当控制终端被关闭时，相应的进程都会自动关闭。但是守护进程却能够突破这种限制，它从被执行开始运转，直到整个系统关闭时才退出。如果想让某个进程不因为用户或终端或其他地变化而受到影响，那么就必须把这个进程变成一个守护进程。