[笔记]《操作系统精髓与设计原理》---(1)操作系统概述

前段时间好好重新看了一遍操作系统，还是有点收获，重新完整了下知识结构，笔记都记在onenote上，有空慢慢搬上来。

4个重要理论进展：
• 进程
• 内存管理
• 信息保护和安全
• 调度和资源管理

---

进程

• 一个正在执行的程序。
• 计算机中正在运行的程序实例。
• 可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体。

三部分组成：

• 一段可执行的程序
• 程序所需要的相关数据（变量、工作空间、缓冲区）
• 程序的执行上下文。

执行上下文又称进程状态，包括：

• 处理器寄存器的内容，如程序计数器和数据寄存器
• 操作系统使用的信息，进程优先级、进程是否在等待特定I/O事件的完成。，

一个进程管理方法：

1. 由操作系统建立和维护进程表，记录每个进程（程序、数据和上下文）分配的存储器区域。表项内容包括进程的存储块地址指针，部分或者全部执行上下文。
2. 进程索引寄存器包含当前处理器进程在进程表的索引；程序计数器指向该进程中下一条指令；基址寄存器、界限寄存器定义进程占据存储器区域：基址保存开始地址，界限保存大小。程序计数器和所有数据引用相对于基址寄存器被解释，并不能超过界限寄存器的值。

线程、进程区别：

• 线程：可分配的工作单元。包括处理器上下文（包括程序计数器、栈指针）和栈中自己的数据区域。
• 进程：1个或多个线程和相关系统资源（如数据和代码存储空间、打开的文件和设备）的设备。

---

内存管理

5个基本责任：

• 进程隔离：操作系统保护独立的进程，防止互相干扰各自的存储空间，包括数据和指令
• 自动分配和管理：程序根据需要在存储层次间动态分配，分配对程序员透明。无需关系与内存限制有关的问题
• 支持模块化程序设计：程序员能定义程序模块，并动态创建、销毁模块，动态改变模块大小。
• 保护和访问控制：必须允许一部分内存可以由各种用户以各种方式进行访问。
• 长期存储：在计算机关机后长时间保存信息。

操作系统使用虚存和文件系统机制来满足这些要求

• 文件系统：实现长期存储，在1个有名字的对象中保存信息，对象称为文件file。对操作系统来说，文件是访问控制和保护的一个有用单元。
• 虚存机制：允许程序从逻辑角度访问存储器，而不用考虑物理内存上可用的空间数量。进程大小不同，处理器在很多进程间切换，很难紧密压入内存中，引入分页系统
  
  • 分页系统（动态映射硬件）：进程由许多固定大小的块组成，称为页。程序通过虚地址访问字，虚地址由页号和页中偏移量组成。进程每一页都可以放置在内存中的任何地方，分页系统提供程序中使用的虚地址和内存中的实地址/物理地址之间的动态映射。
  • 消除一个进程的所有页同时驻留在内存的要求。一个进程的所有页都保留在磁盘中，当进程执行时，一部分页在内存中。如果需要访问的某页不在内存中，存储管理硬件检测到，安排载入这个缺页。这个配置称虚拟内存。

程序设计语言的指令都可以访问虚存区域中的程序和数据。

• 通过给每个进程一个唯一不重叠的虚存空间来实现进程隔离
• 使用两个虚存空间一部分重叠来实现内存共享
• 文件可用于长期存储，文件或其中一部分可以复制到许村中供程序操作。

虚存寻址关系：

• 存储器由内存和低俗的辅助存储器组成，内存可直接访问到，外村则可以通过把块载入内存间接访问到。
• 地址转换硬件（映射器）处理器和内存间。
• 程序使用虚地址访问，虚地址将映射成真是地址。如果访问的虚地址不存在内存中，实际内存中的一部分内容将换到外存，然后载入需要的模块。
• 产生这个地址访问的进程必须挂起。

---

信息保护和安全

在使用时分系统时提出的。

• 可用性：保护系统不被打断
• 保密性：保证用户不能读到未授权访问的数据
• 数据完整性：保护数据不被未授权修改
• 认证：用户身份的正确认证和消息或数据的合法性。

---

调度和资源管理

操作系统关键任务：管理各种可用资源（内存空间、I/O设备、处理器），并调度各种活动进程使用这些资源。

资源分配和调度策略考虑三个因素：

• 公平性：给竞争使用某1特定资源所有进程几乎相等公平的访问机会。
• 有差别的响应性：可能需要区分有不同服务要求的不同作业类。
• 有效性：希望获得最大吞吐量和最小响应时间，并在分时系统下，能容纳尽可能多的用户。

多道程序设计环境中进程调度和资源分配的操作系统主要组件：

• 短程队列，由内存中（一部分在内存中）并等待处理器可用的随时准备运行的进程组成。任何一个进程都能下下一步使用处理器，选择取决于短期调度器（分派器）。常用策略时间片轮转或者分配优先级。
• 长程队列，等待处理器的新作业列表。操作系统通过把长程队列的作业转到短程队列中，实现添加作业，这是内存的一部分必须分配给新到来的作业。
• 每个I/O设备都有一个I/O队列，可能多个进程请求同一个I/O设备。等待使用一个设备的进程在设备的队列中排队，同时操作系统决定分配给哪个进程。
• 如果发生中断，操作系统在中断处理程序入口获得处理器控制权。进程可以通过服务调用明确地请求某些操作系统服务，如I/O设备处理服务，服务调用处理程序是操作系统的入口。只要处理中断或者服务调用，就会请求短期调度器选择一个进程执行。

---

UNIX操作系统

一般体系结构

---

linux操作系统

模块结构

单体内核是指在一大块代码中包含了所有的操作系统功能，并作为一个单一的进程运行，具有位移的地址空间。内核中的左右功能部件可以访问所有的内部数据结构。如果对典型的单体式操作系统的任何部分进行了改变，那么在改变生效前，所有模块、例程都必须重新链接、安装，系统必须重新启动。

linux为采用微内核的方法，但由于特殊的模块结构，因此也具有很多微内核方法的优点。
linux的结构是一个模块的集合，可以通过命令自动地加载和卸载，称为可加载模块。
linux被认为是单体内核，但模块结构克服了在开发和发展内核过程中遇到的困难。

可加载两个特征：

• 动态链接：内核已在内存中并运行，内核模块可以被加载和链接到内核。也可以在任何时刻被断开链接，从内存移除。
• 可堆栈模块：模块按层次排列，当被高层的客户模块访问时，作为库；当被底层模块访问时，作为客户。

使用insmod和rmmod加载卸载内核模块。

内核组件

• 信号：内核通过信号通知进程。如某些错误，比如被0除错误。
• 系统调用：进程通过系统调用来请求系统服务。可以分为6类：文件系统、进程、调度、进程间通信、套接字（网络）和其他。
• 进程和调度器：创建、管理、调度进程。
• 虚拟内存：为进程分配和管理虚拟内存。
• 文件系统：为文件、目录和其他相关对象提供一个全局、分层次的命名空间，提供文件系统函数。
• 网络协议：为用户提供TCP/IP协议套件提供套接字接口。
• 字符设备驱动：管理向内核一次发送或接收一个字节数据的设备，比如终端、调制解调器、打印机。
• 块设备驱动：管理以块为单位向内核发送和接收数据的设备，如各种外存。
• 网络设备驱动：对网络接口卡和通信端口提供管理，他们负责连接到网桥和路由之类的中断设备。
• 陷阱和错误：处理CPU产生的陷阱和错误，例如内存错误。
• 物理内存：管理实际内存中的内存页池和为虚拟内存分配内存页。
• 中断：处理外设中断.

一些linux信号