操作系统-导论

最新推荐文章于 2025-03-27 14:51:22 发布

sakihu

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分类专栏：操作系统文章标签：操作系统

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文章目录

第一部分虚拟化

操作系统

第一部分虚拟化

第1章操作系统介绍

1.虚拟化CPU

1.虚拟化：操作系统将物理资源(如处理器，内存，磁盘等)转化为更加强大的更加通用使用的虚拟形式，有时我们也将操作系统称为虚拟机或者是资源管理器。
2.什么是虚拟化CPU？
将单个CPU(或者是其中的一部分)转换为看似无限数量的CPU，从而让许多程序看似同时运行，这就是所谓的虚拟化CPU。

2.虚拟化内存

1.程序运行时，访问的指令来自于哪里？
程序将所有的数据结构保存在内存中，并通过各种指令来访问它们，程序的每个指令都在内存中，所以每次读取指令都会访问内存。
2.每个运行的程序都在相同的地址处分配了内存，但是打印出来的实际值却不一样呢？
这正是操作系统中虚拟化内存时发生的情况，每个进程都访问属于自己私有的虚拟地址空间，操作系统以某一种特有的方式映射到机器的物理地址上，实际上我们访问的实际物理地址是不一致的，它完全拥有属于自己的地址内存，物理内存是由操作系统管理的共享资源。在这段理解中，我们还可以理解进程是资源分配的最小单位，进程内存访问虚拟内存空间，进程相当于是一个中间层，通过映射关系对应到真实的物理内存空间。

3.并发

include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "common.h"
volatile int counter = 0;
int loops;
void *worker(void *arg)
{
   
	int i;
	for (i = 0; i < loops; i++)counter++;
	return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
   
	if (argc != 2)
	{
   
		fprintf(stderr, "usage: threads <value>\n");
		exit(1);
	}
	loops = atoi(argv[1]);
	pthread_t p1, p2;
	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;
}

我们可以将线程看作是与其他函数在同一内存空间中运行的函数，并且每次都有多个线程处于活动状态。
在这段代码中，main是主函数，两个子线程是worker，主线程和子线程在同一地址空间，起子线程和函数调用的区别就是，函数调用仍然在原逻辑执行流中，起子线程是新起了一个与原逻辑执行流并行的新线程，两个线程的执行是独立的(除了共享使用内存除外)
实际上当loops输入为1000的时候可能最终结果由两个线程得到的结果可能是2000，但如果数据持续增加，极大可能得到的数据几乎都是不一致的。
为什么会出现这种情况？
增加共享计数器的地方需要执行3条指令：一条将计数器的值从内存加载到寄存器，一条是将其递增，另一条是将其保存回内存，但这三条指令并不是以原子性执行，简而言之就是在没有锁的情况下，A线程在读取的过程中，B线程完成了数据的计数，那么A读取到的值就可能是一个假的值，那最终结果就会出错。

如何构建正确的并发程序？
1.如果一段内存空间中有很多并发执行线程，如何构建一个正确的工作程序？
2.操作系统需要什么原语？
3.硬件需要提供哪些机制？
4.如何利用它们来解决并发问题？

4.持久性

1.什么是DRAM？
DRAM是动态随机存取存储器，最为常见的系统内存，它只能将数据保持极短的时间，使用电容存储，需要一段时间就刷新，如果没有刷新存储信息就会丢失，例如关机。
2.操作系统中管理磁盘的软件通常称为文件系统。
3.磁盘文件和CPU关于虚拟化区别？操作系统不会为每个应用程序创建专用的虚拟盘。
CPU和内存是运行程序需要占用的资源，互相独立，使用虚拟化能够更加高效和易于管理，但磁盘文件是共享的资源，可能会被各种程序使用，不适合虚拟化，但可以做到权限控制。
** 如何持久地存储数据 **
1.如何将数据存储到硬盘？
2.如何才能高效实现？
3.出现故障，操作系统应该怎么办？
4.写缓冲的好处是什么？
现代处理器使用写缓冲区临时向内存写入地数据，写缓冲区可以保证指令流水线运行，避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生地延迟，同时，通过以批处理地方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区对同一内存地址的多次写，减少对内存总线地占用。

第2章抽象：进程

虚拟化CPU来提供这种假象，通过让一个进程只运行一个时间片，然后再切换到其他进程，操作系统提供了存在许多虚拟化CPU的假象，这就是时分共享。

1.进程

操作系统为正在运行的程序提供抽象，就是所谓的进程。
什么是进程的机器状态：程序在运行时可以读取或更新的内容。指令在内存中，正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中国，因此进程可以访问的内存(称为地址空间)是该进程的一部分，进程的机器状态另一部分就是寄存器。

2.进程API

1.销毁：因为存在创建进程的接口，因此还需要一个销毁的接口，虽然很多程序在运行完成后可以技术退出，但是可能存在失控的状态。
2.等待：有时等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。
3.其他控制：除了杀死或等待进程外，有时还可能控制。过一段时间后继续恢复。
4.状态：有一些接口可以获得有关进程的状态信息。

3.进程创建：更多细节

操作系统第一件事就是将代码和所有的静态数据加载到内存中，加载到进程的地址空间。

加载之后，操作系统必须为程序的运行时栈分配一些内存，也有可能为程序的堆分配一些内存，举个例子，使用malloc函数申请的动态空间是堆区里面。
程序运行步骤：从磁盘加载程序的指令和数据->创建和初始化->I/O设置->跳转到程序入口(main函数)。

4.进程状态

进程的三种状态：
1.运行：在运行状态下，进程正在处理器上运行，这意味着它正在执行指令。
2.就绪：在就绪状态下，进程已经准备好运行，但由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。
3.阻塞：在阻塞状态下，一个进程执行了某种操作，直到发生其他事件的时候才准备运行，举例，当进程像I/O请求时，它会阻塞，因此其他进程可以使用处理器。

首先：我们想象两个正在运行的进程，每个进程只是用CPU(它们没有I/O)

在下一个例子中，第一个进程在运行一段时间后发起I/O请求，此时该进程被阻塞，让另一个进程有机会。