绪论

笔记混合 jyy 和大班操作系统知识点

五个简答题，覆盖基本概念、进程、线程与地址空间、编译、链接和加载、并发编程和文件系统。 - 操作系统：“管理软/硬件资源、为应用程序提供服务” 的程序，硬件和软件的中间层 - 操作系统作为系统资源管理者 - 处理机管理 - 存储器管理 - 文件管理 - 设备管理 - 作为用户与计算机硬件之间的接口 - 命令接口：联机命令接口（交互接口），脱机命令接口（批处理接口） - 程序接口：系统调用 - 操作系统发展历程、 - 手工阶段：独占计算机资源，人工操作，资源利用率低 - 单道批处理：自动顺序执行，效率较高 - 多道批处理：（并发）宏观并行，微观串行 - 分时操作系统：交互性强 - 实时操作系统：及时可靠

操作系统的功能¶

虚拟化：操作系统将物理资源（如处理器、内存或磁盘）转换为更通用、更强大且更易于使用的虚拟形式。操作系统扮演的主要角色就是操理这些资源，以做到高效或公平
- 虚拟化 cpu：一运行多个程序的能力
- 虚拟化内存：每个进程访问自己的私有虚拟地址空间，操作系统以某种方式映射到机器的物理内存上。进程之间不会相互影响
并发
- 并发是两个或多个事件在同一时间间隔内发生
- 并行是系统同事进行多个工作
持久性
- 硬件和软件来持久地存储数据，避免由于断电或系统崩溃造成的数据丢失
- 文件系统管理
操作系统管理状态机：通过一系列 API 如 fork，execve 等
操作系统提供了对象和 API：文件描述符、open、read 等系统调用

设计目标：¶

抽象，让系统方便和易于使用
提供高性能，最小化操作系统的开销
在应用程序之间以及应用程序与 OS 之间提供保护（隔离）
操作系统需要不间断运行

应用程序视角下的操作系统¶

处理器就是执行指令的状态机，不断取指令执行指令循环往复
指令集并不是万能的：比如指令集中没有关闭计算机的指令，这就需要通过系统调用依赖于操作系统实现
任何程序都是状态机：
- 从被操作系统加载开始，经历状态机执行（计算+系统调用）最终调用_exit 退出
- 应用程序=计算+操作系统 API（syscall）
操作系统的职责：提供令应用程序舒适的抽象 (对象 + API)
窗口管理器
- 能直接管理屏幕设备
- 能够和其他进程通信
任务管理器
- 能访问操作系统提供的进程对象
杀毒软件
- 文件静态扫描 (read)、主动防御 (ptrace)

高级语言程序¶

函数调用时会保留上一个栈针执行到的为止，即返回地址。因此可以说每个栈针有自己的 PC 指针

非递归的汉诺塔实现

typedef struct {
  int pc, n;
  char from, to, via;
} Frame;
#define call(...) ({ *(++top) = (Frame) { .pc = 0, __VA_ARGS__ }; })
#define ret()     ({ top--; })
#define goto(loc) ({ f->pc = (loc) - 1; })
void hanoi(int n, char from, char to, char via) {
  Frame stk[64], *top = stk - 1;
  call(n, from, to, via);
  for (Frame *f; (f = top) >= stk; f->pc++) {
    n = f->n; from = f->from; to = f->to; via = f->via;
    switch (f->pc) {
      case 0: if (n == 1) { printf("%c -> %c\n", from, to); goto(4); } break;
      case 1: call(n - 1, from, via, to);   break;
      case 2: call(    1, from, to,  via);  break;
      case 3: call(n - 1, via,  to,  from); break;
      case 4: ret();                        break;
      default: assert(0);
    }
  }
}

硬件视角下的操作系统¶

计算机启动过程：
- 激活 CPU，载入并执行 BIOS
- 硬件自检
- 加载有操作系统的硬盘
- 加载主引导记录 MBR：确定去哪个磁盘哪个分区寻找操作系统
- 扫描磁盘分区，加载活动分区
- 加载分区引导记录 PBR
- 加载启动管理器
- 加载操作系统
计算机系统状态机模型：
- 状态：内存、寄存器数值
- 初始状态：由系统设计者制定 CPU Reset
- 状态迁移：从 PC 取指令执行
firmware 固件
- 进行运行程序前的计算机系统配置
- 是一个小的操作系统，在 CPU Reset 后初始化硬件；对接操作系统 Boot Loader
Legacy BIOS (Basic I/O System)
- 最早的固件类型之一，用于个人计算机，它在计算机启动时初始化硬件
- IBM PC 所有设备/BIOS 中断是有 specification 的，16-bit DOS 时代 BIOS 常驻内存，提供 I/O 等功能
UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)
- UEFI是设计来替代Legacy BIOS的一种现代固件标准。它提供了更加丰富的界面和更高的灵活性，支持从大容量硬盘启动系统、快速启动、安全启动等功能。
- 提供更丰富的支持 (例如设备驱动程序)：指纹锁、山寨网卡上的 PXE 网络启动、USB 蓝牙转接器连接的蓝牙键盘……
Firmware (BIOS) 会加载磁盘的前 512 字节到 0x7c00 (如果这 512 字节最后是 0x55, 0xAA)
- CPU Reset 的时候，0x7c00 应该是啥也没有的，Firmware 的代码扫描了磁盘、加载了它
Grub 的例子
- Stage 1: 扫描磁盘，找到附近的 ELF 文件头，加载到内存
- Stage 2: 这个 ELF 文件是 Grub; 弹出熟悉的选择系统窗口
- Stage 3: 加载 Linux Kernel

数学视角的操作系统¶

应用视角下：操作系统=对象+API（系统调用）
机器视角：操作系统就是计算机硬件上的一个普通程序
程序正确性的证明方法：
- 暴力枚举
- 写出证明
操作系统是一个状态机，应用程序也是状态机是运行在操作系统上的状态机
操作系统控制不同应用程序状态机的运行（调度、切换），以及负责执行系统调用
mini 操作系统