ostep

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ostep

  • 正在运行的程序做的事情：执行指令

    • 处理器从内存中获取（fetch）一条指令，对其进行解码（decode）（弄清楚是哪条指令），然后执行操作（比如跳转到函数，访问内存等），完成后，处理器继续执行下一条指令，直到程序最终完成

    • 计算机虚拟化就要模拟计算机的主要功能，冯诺依曼的存储程序计算机就是：1.从PC处取一条指令并译码，修改PC 2.执行指令 3.回到1重复执行。

    • PC：program counter 程序计数器（计算机处理器中的 寄存器）

    • 程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。

      当执行一条指令时，首先需要根据PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器中，此过程称为"取指令"。与此同时，PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令，执行指令。完成第一条指令的执行，而后根据PC取出第二条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。

  • 冯诺依曼体系：

    • CPU中央处理器（算术运算和逻辑判断）
    • 存储器（外存内存，存储二进制数据）
    • 输入设备（用户操作计算机）
    • 输出设备（计算机返回结果的设备）

  • CPU中央处理器是干嘛的（算术运算和逻辑判断，CPU内部也有寄存器）：

    • 处理指令
    • 执行操作
    • 控制时间
    • 处理数据

云

  • 云是指你作为接受服务的对象，是云端，不管你在何时何地，都能享受云计算提供的服务。云是网络、互联网的一种比喻说法。
  • 云分为私有云、公有云、混合云及行业云等等。云在勾画网络拓扑或网络结构时常见，过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。

操作系统：

  • 操作系统介绍：（虚拟机，资源管理器）

    • 允许程序共享内存

    • 程序能与设备交互

    • 通过虚拟化让每一个程序或进程独立拥有cpu，内存，并实现共享CPU

    • C标准库都是建立在各类操作系统的标准库上面的，操作系统是第一层，编程语言的标准库是第二层。

    • 主要作用：

      • 为了更好地运行程序，多个程序并行运行，多个程序共享内存
      • 为了可以和硬件设备交互
      • 运行程序，分配内存，访问文件，提供可系统调用的api（大多数用户与操作系统交互的主要方式）
      • 将底层资源通过接口的方式开放出来，使得应用层不用关注底层实现，实现解耦

  • 虚拟内存

    • 内存就是一个字节数组。要读取（read）内存，必须指定一个地址（address），才能访问存储在那里的数据。要写入（write）或更新（update）内存，还必须指定要写入给定地址的数据。
    • 物理地址：真实的内存的地址

  • 并发

    • 同时运行多个进程
    • 并发，在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行，但任一个时刻点上只有一个程序在处理机上运行

  • 保护

    • 隔离：进程彼此隔离是保护的关键

  • 可靠性

  • 操作系统就是一个”搞管理“的软件

    • 管理硬件设备
    • 管理软件资源（文件，进程）
    • 管理指的一般是：描述（PCB）+组织

进程

  • 进程：

    • 进程是操作系统中非常核心的一个概念，进程其实是计算机完成工作的一个"过程"

      如图所示：进程就是一个正在运行的程序，要想让进程跑起来，就得给这个进程分配一定的系统硬件资源（CPU，内存，磁盘，网络带宽…）

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  • 操作系统如何管理进程：

    • 为进程分配虚拟空间

      • 假设：

        • 0x100 - 0x700 这个内存分给进程1
        • 0x100 - 0x700 这个内存分给进程2

      • 这里的地址都是操作系统抽象出来的虚拟地址，系统会自动的把这个虚拟地址转换为真实的物理地址

      • 为什么不直接访问真实的物理地址，而要创建虚拟地址空间

        • 为了一定程度减少内存访问越界带来的后果

        • 比如：

          • 进程1 的内存范围 0x100 - 0x700,如果我的代码尝试修改 0x701的地址的数据，这个操作就是越界访问（错误的操作）

            如果这是一个真实的物理地址，这个修改就真的把 0x701给修改了, 恰好 0x701是进程2 要使用的内存地址，此时进程2 可能就出 bug 了，就会直接奔溃

          • 但如果进程访问的是虚拟地址，也尝试修改0x701 此时系统就要针对 0x701 来查询页表，找到对应的物理地址 由于 0x701 已经是非法地址，在 页表中查不到了，系统就会明白，是在越界访问，于是就直接让这个进程出现崩溃（系统就会发送一个型号，这个信号通常会导致进程奔溃），防止影响到其它线程。

          • 这样做，就让进程和进程之间相互影响的可能性变小了，隔离性增加了，进程，系统也就更加稳定了。

      • 缺点：但是进程间通信变得困难（如果要想相互交流沟通，就需要使用一些特殊的手段,比如：文件，管道(是内核中提供的一个队列)，消息队列，信号量等）

    • 管理指的一般是：描述（PCB）+组织

    - PCB：进程的控制块，C语言的一个结构体，一个结构体对象就对应一个进程，将存储关于进程信息的个体结构称为进程控制块
​
- 组织：使用一定的数据结构来组织，常见作法就是使用双向链表
​
- 查看进程列表：遍历操作系统内核中的这个链表，并显示属性
​
- 创建一个进程：创建一个PCB对象，并加入到内核的链表中
​
- 销毁一个进程：把这个PCB对象从内核链表中删除
​
- 进程的属性
    + pid：一个进程的身份标识（唯一）
    + 内存指针：描述了这个进程使用的内存空间是哪个范围（虚拟地址空间）
    + 文件描述符表：描述这个进程打开了哪些文件

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    • 执行：

      • 并发式执行：切换进程
      • 并行式执行：多个CPU运行多个进程（4核或者8核CPU相当于4或8个分身）
      • 操作系统进行进程调度的时候，是并发并行综合使用

  • 管道（半双工通信）：

    • 管道只能一端读取另一端写入
    • 操作系统分为内核态和用户态，管道就是在内核中开辟一块缓冲区，不同的进程通过对这个缓冲取进行读写操作实现IPC。
    • 以Linux下的为例吧，管道是一种进程间通信的方式，在linux中分为有名管道和无名管道。有名管道就是把一个进程的输出写到一个文件中，再把此文件作为另一个进程的输入。 无名管道也是如此，只不过这个管道文件不直接可见而已，通常无名管道都作为一个进程组的形式完成，如ls | grep 'a'，这就是一种进程间单向的通信方式。
    • 匿名管道，半双工通信,只能在父子或者兄弟进程间使用.，
    • 命令流管道s_pipe: 全双工。父子兄弟间使用。
    • 命名管道FIFO：半双工通信。任意进程间使用

发展：

  • 早期操作系统：

    • 简单服务：只是一些库，一组常用函数库（让OS提供 I/O 这样的API，而不是让系统的每个程序员都编写低级 I/O 处理代码）
    • 批处理，先把一些工作准备好，然后由操作员以分批方式运行（运行一个程序，如决定运行作业的顺序）

系统调用

  • 超越库：

    • 操作系统运行代码是特殊的，控制设备
    • 将一个文件系统实现为一个库，并允许任何应用程序访问磁盘所有文件，让隐私的概念消失没有意义
    • 系统调用：添加一些特殊的硬件指令和硬件状态，让向操作系统过渡变为更正式、受控的过程

  • 系统调用和过程调用区别：

    • 系统调用将控制转移（跳转）到OS中，同时提高硬件特权级别（hardware privilege level）。用户应用程序以所谓的用户模式（user mode）运行，这意味着硬件限制了应用程序的功能。例如，以用户模式运行的应用程序通常不能发起对磁盘的I/O请求，不能访问任何物理内存页或在网络上发送数据包。在发起系统调用时 [通常通过一个称为陷阱（trap）的特殊硬件指令]，硬件将控制转移到预先指定的陷阱处理程序（trap handler）（即预先设置的操作系统），并同时将特权级别提升到内核模式（kernel mode）。在内核模式下，操作系统可以完全访问系统的硬件，因此可以执行诸如发起I/O请求或为程序提供更多内存等功能。当操作系统完成请求的服务时，它通过特殊的陷阱返回（return-from-trap）指令将控制权交还给用户，该指令返回到用户模式，同时将控制权交还给应用程序，回到应用离开的地方。

  • 多道程序：

    • 操作系统不是一次只运行一项作业，而是将大量作业加载到内存中并在之间快速切换，提高CPU利用率（I/O 设备很慢，浪费CPU实践）

    • 系统中有一些操作很慢，这个时候可能只是读取或者传输，交换，会导致cpu空转。 因此某一个程序处于这种状态时，先将其寄存回内存，然后切换另一个程序使用cpu，当另一个程序要进入不需要cpu计算时，把另一个程序调回，把这个程序寄存。 这是一种防止计算机器空转的好方法。

    • CPU空转：

      while(true){
        //do nothing
}
//大家一看，这就是个啥事儿也没做的死循环啊，跑起来CPU会占用100%的。没错，这就是所说的“CPU空转”。

    • 在 CPU 的角度看进程行为的话，可以分为两类：

      • CPU 消耗型：此类进程就是一直占用 CPU 计算，CPU 利用率很高
      • IO 消耗型：此类进程会涉及到 IO，需要和用户交互，比如键盘输入，占用 CPU 不是很高，只需要 CPU 的一部分计算，大多数时间是在等待 IO

      CPU 消耗型进程需要高的吞吐率，IO 消耗型进程需要强的响应性，这两点都是调度器需要考虑的。

      为了更快响应 IO 消耗型进程，内核提供了一个抢占(preempt)机制，使优先级更高的进程，去抢占优先级低的进程运行。

    • 多道程序意味着一次加载很多程序到内存，一个程序进行较慢的IO操作时，马上切换到另一个程序。程序切换带来两个问题，一是内存保护，二是并发控制，就是时间片轮转、寄存器上下文切换、锁和返回等问题。

受限：

  • 1、一个进程必须能够执行一些受限制的操作，但是又不能让进程完全控制整个系统，操作系统和硬件如何共同协作实现这一需求？

程序在用户态模式（User Mode）下操作受到限制，只有进入内核态（Kernel Mode）才能执行受限制的指令。用户模式下的程序调用系统调用会产生软中断，硬件将该进程的寄存器保存到内核栈中并跳到陷阱处理程序，然后在内核模式下的操作系统先处理陷阱，接着做系统调用的工作，最后从陷阱返回，硬件再从内核栈中恢复寄存器并跳转到程序计数器，进程继续运行。

  • 2、一个进程在CPU上运行就意味着操作系统没有运行，操作系统又将如何重新获取对CPU的控制权？

① 协作方式：当⑴进程进行系统调用或者⑵系统发生某种非法操作时，操作系统重新获得对CPU的控制权（regain control）。 ② 非协作方式：时钟中断（timer Interrupt）。时钟中断（timer interrupt）[M+63]。时钟设备可以编程为每隔几毫秒产生一次中断。产生中断时，当前正在运行的进程停止，操作系统中预先配置的中断处理程序（interrupt handler）会运行。此时，操作系统重新获得CPU的控制权，因此可以做它想做的事：停止当前进程，并启动另一个进程。

  • 3、上下文切换的概念及过程

概念：操作系统要做的就是为当前正在执行的进程保存一些寄存器的值（例如，到它的内核栈），并为即将执行的进程恢复一些寄存器的值（从它的内核栈）。 过程：为了保存当前正在运行的进程的上下文，操作系统会执行一些底层汇编代码，来保存通用寄存器、程序计数器，以及当前正在运行的进程的内核栈指针，然后恢复寄存器、程序计数器，并切换内核栈，供即将运行的进程使用。通过切换栈，内核在进入切换代码调用时，是一个进程（被中断的进程）的上下文，在返回时，是另一进程（即将执行的进程）的上下文。当操作系统最终执行从陷阱返回指令时，即将执行的进程变成了当前运行的进程。至此上下文切换完成。

  • 4、由时钟中断机制产生的并发问题的简单解决方案

① 禁止中断（disable interrupt）：在时钟中断过程中，禁止再次时钟中断。此方法可能导致时钟中断的丢失。 ② 锁（locking）：这使得多个活动可以同时在内核中进行，特别适用于多处理器。

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