Operating System Concept - 1

OS

A piece of software that manages a computer, making computer’s hardware resources accessible to software through a consistent set of interfaces.

并发(Concurrence)

共享(Sharing)

虚拟(Virtual)

异步(Asynchronism)

四项重要特征为OS的核心特征，也是我们进一步做得更好的核心挑战所在。

OS Functions

1. CPU管理
   1. 进程/线程控制和管理
   2. 进程同步和互斥（mutual exclusion）
   3. 进程通信和死锁（dead lock）
   4. 处理器调度，作业调度和进程调度
2. 存储管理
   1. 存储分配
   2. 存储共享
   3. 存储保护
   4. 地址转换
   5. 存储扩充
3. ⽂件管理
   1. ⽬录管理
   2. 存取控制/保护
   3. 逻辑组织
   4. 物理组织
   5. ⽂件存储空间管理
4. 设备管理
   1. 设备分配
   2. 设备驱动
   3. 缓冲管理
5. ⽤户接口
   1. 命令接口
   2. 程序接口
   3. 图形接口
6. ⽹络与通信管理

OS Structure

System calls provide an interface to the services made available by an operating system.

Categories of System call:

• Process control • File management • Device management • Information maintenance • Communications

Simple Structure

MS-DOS

MS-DOS – written to provide the most functionality in the least space

• Not divided into modules
• Interfaces and levels of functionality not well separated

Unix

Limited by hardware functionality

Original UNIX operating system consists of two separable parts:

• Systems programs
• The kernel
  • Consists of everything below the system-call interface and above the physical hardware
  • Provides the file system, CPU scheduling, memory management, and other operating-system functions;
  • Many interacting functions for one level

Layered Structure

Operating system is divided many layers (levels)

• Each built on top of lower layers
• Bottom layer (layer 0) is hardware
• Highest layer (layer N) is the user interface

模块化，易于调试

Microkernel System Structure

Moves as much from the kernel into “user” space as possible.

非基本的方法从内核中抽离，留下基本的方法。（基本：一般认为内存管理和通信功能是必须的基本方法）

Benefits: • Easier to extend a microkernel • Easier to port the operating system to new architectures • More reliable (less code is running in kernel mode) • More secure Detriments: • Performance overhead of user space to kernel space communication

Module based

Most modern operating systems implement kernel modules • Uses object-oriented approach • Each core component is separate • Each talks to the others over known interfaces • Each is loadable as needed within the kernel

类似于layered structure，但是灵活性大大增长

Example:

1. Scheduling classes
2. File systems
3. Loadable system calls
4. Executable formats
5. STREAMS modules
6. Miscellaneous
7. Device and bus drivers

Hybrid Systems

更为现代的设计方式都是采用混合模型

Virtual Machines

分层方法逻辑可延伸为虚拟机概念。虚拟机的基本思想是单个计算机(CPU 、内存、磁盘、网卡等)的硬件抽象为几个不同的执行部件，从而造成一种"幻觉"，仿佛每个独立的执行环境都在自己的计算机上运行一样。

创建虚拟机有几个原因，最根本的是，在并行运行几个不同的执行环境(即不同的操作系统)时能够共享相同的硬件。

实现

底层机器有两种模式:用户模式和内核模式。虚拟机软件可以运行在内核模式，因为它就是操作系统。虚拟机本身只能运行在用户模式。正如物理机器有两种模式一样，虚拟机也有两种模式。因此，必须有虚拟用户模式和虚拟内核模式，这两种模式都运行在物理用户模式。

优劣

• Isolation from all other virtual machines. 保证安全 • No disruption on normal system operation. 开发测试操作系统不需要中断正常操作系统的服务 • Difficult to implement due to the effort required to provide an exact duplicate to the underlying machine

实例

Vmware

虚拟层是VMware 的核心，因为它将物理硬件抽象为独立的作为客户操作系统的虚拟机运行。每个虚拟机都有它自己的虚拟 CPU、内存、磁盘驱动、网络接口等。

Java 虚拟机 (JVM)

Java 对象用类结构来描述; Java 程序由一个或多个类组成。对于每个 Java 类， Java编译器会生成与平台无关的字节码 (bytecode) 输出文件( .class ) ，它可运行在任何JVM 上。

JVM包括类加载器和执行与平台无关的字节码的Java解释器。JVM 通过执行垃圾收集(garbage collection ，回收不再使用的内存并返回给系统)来自动管理内存。

.NET

.NET框架是一套包含了类库集舍、执行环境和软件开发平台的技术。这个平台允许基于.NET框架编程而不是针对任何特定平台。

.NET 框架的核心是公共语言运行时间 (CLR)

CLR 是 .NET 虚拟机的实现

用 C#或者 VB.NET 编写的程序被编译为一种平台无关的中间语言(叫做微软中间语言 MS-IU 。这些被编译好的文件叫做组合 (assembly) ,它包含了 MS-IL 指令和元数据。它们的文件名后缀是.dll 或者.exeo 当要运行这些程序的时候， CLR 把这些组合加载进应用程序域 (Application Domain) 。

Process

进程概念

进程不只是程序代码，程序代码有时称为文本段(或代码段)。进程还包括当前活动，通过程序计数器的值和处理器寄存器的内容来表示。另外，进程通常还包括进程堆栈段(包括临时数据，如函数参数、返回地址和局部变量)和数据段(包括全局变量)。进程还可能包括堆 (heap) ，是在进程运行期间动态分配的内存。

英文解释更为简单：

A process is a program in execution

进程在执行时产生许多进程是很常见的。

程序与进程之间的区别:

• “进程”是一个动态的概念:进程强调的是程序的一次“执行”过程,程序是一组有序指令的集合,在多道程序设计环境下,它不涉及“执行”,因此,是一个静态的概念;
• 不同的进程可以执行同一个程序:即使多个进程执行同一个程序,只要它们运行在不同的数据集合上,它们就是不同的进程;
• 每一个进程都有自己的生命期:当系统要完成某一项工作时,它就“创建”一个进程,程序执行完毕,系统就“撤销”这个进程,收回它所占用的资源。

进程状态

进程在执行时会改变状态。进程状态在某种程度上是由当前活动所定义的。每个进程可能处于下列状态之一:

• 新的:进程正在被创建。
• 运行:指令正在被执行。
• 等待:进程等待某个事件的发生(如 IO 完成或收到信号)。
• 就绪:进程等待分配处理器。
• 终止:进程完成执行。

进程控制块

每个进程在操作系统内用进程控制块 (process control block. PCB. 也称为任务控制块)来表示。

• 进程状态:状态可包括新的、就绪、运行、等待、停止等。
• 程序计数器:计数器表示进程要执行的下个指令的地址。
• CPU 寄存器:根据计算机体系结构的不同，寄存器的数量和类型也不同。它们包括累加器、索引寄存器、堆战指针、通用寄存器和其他条件码信息寄存器。与程序计数器一起，这些状态信息在出现中断时也需要保存，以便进程以后能正确地继续执行。
• CPU 调度信息:这类信息包括进程优先级、调度队列的指针和其他调度参数
• 内存管理信息:根据操作系统所使用的内存系统，这类信息包括基址和界限寄存器的值、页表或段表(见第 8 章)。
• 记账信息:这类信息包括 CPU 时间、实际使用时间、时间界限、记账数据、作业或进程数量等。
• I/O 状态信息:这类信息包括分配给进程的 νo 设备列表、打开的文件列表等。 简而言之， PCB 简单地作为这些信息的仓库，这些信息在进程与进程之间是不同的。

线程

一个进程是一个只能进行单个执行线程的程序。

进程调度

调度队列

进程进入系统时，会被加到作业队列中，该队列包括系统中的所有进程。

讨论进程调度的常用表示方法是队列图

每个长方形表示一个队列。有两种队列:就绪队列和一组设备队列。圆形表示为队列服务的资源，箭头表示系统内进程的流向。

进程创建

当进程创建新进程时，有两种执行可能:

• 父进程与子进程并发执行。
• 父进程等待，直到某个或全部子进程执行完。

新进程的地址空间也有两种可能:

• 子进程是父进程的复制品(具有与父进程相同的程序和数据)。
• 子进程装入另一个新程序。

Unix通过pid变量标记进程，fork（）函数创建进程。

fork的时候发生什么？ =》执行到这一句的时候，一个进程被创建了，这个进程与父进程一样，拥有一套与父进程相同的变量，相同的一套代码，这里可以粗浅的理解为子进程又复制了一份main函数。这里返回一个子进程的进程号，大于0。（第一次fork）

通常，在系统调用fork()之后，一个进程会使用系统调用exec()，以用新程序来取代进 程的内存雪间。系统调用exec()将二进制文件装入内存(消除了原来包含系统调用exec()的 程序的内存映射)，并开始执行。采用这种方式，两个进程能相互通信，并能按各自的方法 执行。父进程能创建更多的子进程，或者如果在子进程运行时没有什么可做，那么它采用 系统调用wait()把自己移出就绪队列来等待子进程的终止。

子进程怎么执行：

=》子进程从fork()的位置开始执行，也就是说前面的代码不走，但是拥有之前的变量以及变量的值，与父进程的值一样，这次fork()，返回值是0，所以在子进程里面直接执行了pid==0这一个分支，父进程里面并不执行这个分支的语句。这就为我们在写mian函数的时候怎么写子进程的程序提供了一个方法来隔离代码。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    pid_t pid[3];
    int count = 0;
    pid[0] = fork();
    pid[1] = fork();
    pid[2] = fork();

    printf("this is process\n");

    return 0;
}

运行会输出8次this is a process

进程结束

当进程完成执行最后的语句并使用系统调用exit()请求操作系统删除自身时，进程终止。这时，进程可以返回状态值(通常为整数)到父进程(通过系统调用wait()) 。所有进程资源(包括物理和虚拟内存、打开文件和 I/O 缓冲)会被操作系统释放。

有些系统，包括 VMS ，不允许子进程在父进程己终止的情况下存在。对于这类系统，如果一个进程终止(正常或不正常)，那么它的所有子进程也将终止。这种现象，称为级联终止( cascading termination) ，通常由操作系统进行。

调度程序

进程调度算法的原则:

• (1)公平性。
• (2)资源利用率(特别是CPU利用率)。
• (3)响应时间 - 交互式系统情况。
• (4)系统吞吐量 - 批处理系统。
• (5)周转时间 – 从进程提交到进程完成的时间间隔。
• (6)等待时间 – 在就绪队列中等待所花费的时间之和

通常对于批处理系统，进程更多地是被提交，而不是马上执行。这些进程被放到大容量存储设备(通常为磁盘)的缓冲地中，保存在那里以便以后执行。长期调度程序(long-term scheduler) 或作业调度程序 (job scheduler) 从该地中选择进程，并装入内存以准备执行。短期调度程序 (short-term scheduler) 或 CPU 调度程序从准备执行的进程中选择进程，并为之分配 CPU 。

这两个调度程序的主要差别是它们执行的频率。短期调度程序必须频繁地为CPU 选择新进程。