【OSTEP】Introduction：操作系统介绍 | 程序运行时会发生什么？

💭 写在前面

本系列博客为复习操作系统导论的笔记，内容主要参考自：

• Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau, Operating Systems: Three Easy PiecesA. Silberschatz, P. Galvin, and G. Gagne,
• Operating System Concepts, 9th Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2014, ISBN 978-1-118-09375-7.Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

0x00 引入：程序运行时会发生什么？

" 一个正在运行的程序会做一件非常简单的事情：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），然后执行。完成这条指令后，处理器继续执行（execute）下一条指令，以此类推直到程序最终完成：

当然了，现代处理器为了让程序运行的更快，在这背后做了很多骚操作。比如一次性执行多条指令，甚至扰乱执行顺序执行并完成它们，为了让程序运行的更快处理器不择手段，只要能让程序运行得更快，其目的也就达到了。但这并不是我们关心的问题，我们只关心大多数程序所假设的简单模型 —— 指令似乎按照有序和顺序得方式逐条执行。

这样，我们就描述了冯诺依曼计算机模型的基本概念。如果只是反复做以上三件事，那这看上去似乎很简单。但是为了让系统更易于使用，一个程序运行的同时其实还有很多疯狂的事情也在同时进行！

操作系统也是软件，操作系统就是负责让程序运行起来更容易、同时运行多个程序、允许程序共享内存、让程序能够与设备交互等一系列有趣的工作的载体。这就是操作系统（Operating System, OS）。

操作系统的另一个早期名称叫监管程序（super visor），也叫主控程序（master control program），其实叫这样的名字能更容易突出它是一款软件，理解他在做什么 —— 监管程序的软件、主要控制程序的软件。但最后大家还是去叫他 Operating System —— 操作系统的软件，这么一看似乎也挺合理的。

运行程序执行的指令：

• fetch Instruction：
• Decode：
• Get Data：
• Excute instruction：

0x01 操作系统的作用

操作系统是一种在计算机用户之间起媒介作用的程序（或程序）和计算机硬件。

操作系统负责的事：

Making it easy to run programs - 使得运行程序变得容易。

Allowing programs to share memory - 允许程序共享内存。

Enabling programs to interact with devices - 使程序能够与设备交互。

🔺 总结：OS is in charge of making sure the system operates correctly and efficiently（操作系统负责确保系统正确、有效地运行）

OS provides various services for programs to run （操作系统为程序运行提供各种服务）。

0x02 如何使用操作系统

System Call（系统调用）允许用户告诉操作系统要做什么（服务）。

• 操作系统提供了一些接口（API、标准库）。
• 一个典型的操作系统输出几百个系统调用。
• 运行程序、访问内存、访问设备等。

📚 概念：The OS is a Resource Manager - 操作系统是一个资源管理器。

操作系统可以：

• 让你同时跑多个程序 → Sharing the CPU（CPU共享）。
• 让许多程序同时访问自己的指令和数据 → Sharing Memory（共享内存）。
• 让许多程序访问设备 → Sharing disks（共享磁盘）。

为了实现共享，操作系统将物理资源虚拟化（To implement sharing, the OS virtualizes physical resource）。

0x03 操作系统是一个虚拟机

The OS takes a physical resource and transforms it into a virtual form of itself.

操作系统利用物理资源，将其转化为自身的虚拟形式。

有时，我们可以把操作系统当作是一个虚拟机：

0x04 CPU虚拟化

系统有非常多的虚拟CPU，我们可以把一个CPU变成一个看似无限多的CPU，允许许多程序貌似同时运行。  → CPU虚拟化

A program that loops and prints (cpu.c)：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <assert.h>
#include "common.h“ // Contains Spin() function
int main(int argc, char *argv[])
{
 if (argc != 2) {
 fprintf(stderr, "usage: cpu <string>\n");
 exit(1);
 }
 char *str = argv[1];
 while (1) {
 Spin(1); // Repeatedly checks the time and returns once it has run for a second
 printf("%s\n", str);
 }
 return 0; 
}

🚩 运行结果如下：

尽管我们只有一个处理器，这四个程序似乎都在同时运行！这都归功于操作系统将CPU虚拟化了！

0x05 虚拟化内存（Virtualizing Memory）

物理内存是个字节数组

一个程序将其所有数据结构保存在了内存中：

• 读取内存 - Read memory (load)：指定一个地址，以便访问数据。
• 写入内存 - Write memory (store)：指定要写到给定地址的数据。

🚩 运行结果1：

新分配的内存在地址00200000处，它更新数值并打印出结果。

每个运行的程序都有其私有内存（own private memory）。

• 每个运行的程序都在相同的地址上开辟内存空间。
• 他们似乎都在独立更新 00200000 的值。

0x06 虚拟内存空间

每个进程都有其自己的虚拟内存空间 - virtual address space (VAS)

操作系统将虚拟地址空间映射到物理内存上。一个正在运行的程序中的内存引用并不影响其他进程的地址、其他进程的地址空间。物理内存是一种共享资源，由操作系统管理。

0x07 并发的问题（The Problem of Concurrency）

操作系统会立即决议许多事情，决定先跑谁，后跑谁……

现代的多线程程序也显现了并发性问题，多线程是指一个进程中的控制流可以同时运行。

A Multi-threaded Program (thread.c)：

循环决定了两个任务在一个循环中各自增加多少次共享计数器。

❓ 怎会如此？

增加一个共享计数器（counter++）→ 需要三条指令。

1. 将计数器的值从内存加载到寄存器（reg ← 内存）。

2. 增加它（reg ← reg + 1）。

3. 将其存回内存（memory ← reg）。

这三条指令不是原子执行的（也就是交错执行）。

→ 发生并发的问题。

操作系统提供了一个机制来处理这个问题。

0x08 持久性（Persistence）

像DRAM这样的设备以易失性（volatile）的方式存储数值，需要硬件和软件来持久地（persistently）存储数据。

与CPU和内存不同，操作系统不会为每个应用程序创建一个私有的、虚拟化的磁盘。

相反，它假定用户会想要共享文件中的信息。

❓ 操作系统对持久性有什么作用？

What OS does in order to write to disk?

Figure out where on disk this new data will reside.

Issue I/O requests to the underlying storage device with a device driver.

File system handles system crashes during write.

Journaling or copy-on-write.

Carefully ordering writes to disk to ensure that if a failure occurs during the write sequence, the system can recover to reasonable state afterwards

为了向磁盘写入，操作系统会做什么？

• 弄清新数据在磁盘上的位置。
• 用设备驱动程序向底层存储设备发出I/O请求。

文件系统在写入时处理系统崩溃。

• 写入日志或写时拷贝。
• 谨慎地安排写入磁盘的顺序，以确保如果在写入序列中发生故障，系统可以恢复到
• 写入序列时发生故障，系统可以在事后恢复到合理状态

0x09 文件系统（What is File System?）

操作系统设计目标（OS Design Goals）：

建立抽象（abstraction）

• 使系统更方便使用。

提供高性能（performance）

• 将操作系统的开销降到最低。
• 操作系统要在保持没有过多开销的前提下提供虚拟化。

保护（Protection）

• 高度的可靠性

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2022.9.5
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！