2. 操作系统原理介绍

这篇文章主要想从基础介绍一下操作系统是如何运行的，主要专注于操作系统是如何对应用程序进行调度的。需要有前一篇文章作为基础

2.1 操作系统的目标和功能

2.1.1 作为用户/计算机接口的操作系统

一个应用程序可以使用一种语言开发，如果没有操作系统的话，每一个开发者都需要十分了解计算机的硬件指令才行，这是不可想象的。操作系统做了一层抽象，就像开发应用程序的时候会写的各种工具类一样，操作系统对这些部分的操作提供了封装的模块，应用程序只需要调用就好了。
同时还有一些通用的工作，比如创建程序，管理文件，控制io设备等,操作系统对这些操作都做了封装来简化编程。
下面是操作系统面向开发者或者用户的一些功能

程序开发：指一些辅助的应用程序开发工具
程序运行：运行一个程序需要很多不住，必须吧程序加载到内存当中，初始化io设备和文件，准备一些其他资源，操作系统为用户处理这些调度问题
io设备访问：每个io设备都有自身的指令集或者控制信号，操作系统屏蔽了这些差异，程序员可以使用简单的读写操作来对这些设备进行访问
文件访问控制：对文件的访问不仅需要了解对应的磁盘存储设备的特性，还要了解文件的数据结构，同时有时候还要进行访问权限的控制，这些都由操作系统来完成
系统访问：操作系统控制对整个系统的访问（内存，io等）
错误检测和响应：存储错误，算术溢出等故障都是由可能出现的，操作系统需要对这些错误能够响应这些异常并记录或者报告
记账：记录各个资源的使用率数据

2.1.2 作为资源管理器的操作系统

一台计算机就是一组资源，这些资源用于移动，存储和处理数据，并对这些功能进行控制，操作系统负责管理这些资源。

2.2 操作系统发展简史

计算机的发展经历了无操作系统（串行处理），简单批处理系统，多道批处理系统，分时系统通过对这些原理的学习，更加明白了计算机是如何运行的。解开了进程，线程等等后面的迷雾。
可以参考这里进一步了解

2.2.1 串行处理

这个时候是没有操作系统，程序员需要直接与计算机硬件打交道。这些机器在一个控制台上运行，包括显示器，指示灯，触发器，某种输入设备和打印机。
用机器代码编写的程序通过某种输入设备（如卡片阅读机）载入计算机。一个错误使得程序停止的时候，某个指示灯亮。如果程序正常完成，输出结果将出现再打印机中。
这种系统的劣势不言而喻，在程序运行前的准备工作量非常大。如果用户申请了 1 个小时，但他的任务只用 35 分钟就运行完了，那多出来的 25 分钟就这么被浪费掉了。

2.2.2 简单批处理系统

为了提高利用率，人们有了开发批处理系统的想法。批处理系统的中心思想就是用一个称为监控程序（monitor）的软件。刚刚提到了，串行处理需要用户自己去访问机器，时间段是固定的，但现在他们只需要把作业提交给计算机操作员，操作员会把这些作业按顺序组织成一批，然后把整个批作业放在输入设备上，供监控程序使用。
监控程序已经有点操作系统的意思了，它的的工作过程可以从下面两个角度理解：

2.2.2.1 从监控程序的角度来看

一开始，监控程序掌握了计算机的控制权,为了做到这一点，大部分监控程序总是常驻内存，这部分称为常驻监控程序（resident monitor）。
其他的部分，包括一些实用程序和公共函数，他们作为用户程序的子程序，在需要他们的作业开始的时候才会被载入。
监控程序会从输入设备中读取一个作业，经过读入以后，作业就被放置在了用户程序区域，并且把控制权交给这个作业。当作业完成后，他将控制权再次返回给监控程序。监控程序立即读取下一个作业。每个作业的结果被发送到输出设备，交付给用户。

2.2.2.2 从处理器的角度来看

一开始，处理器处理从内存中拿到的监控程序的指令，并执行，这些指令读入下一个作业的并存储到内存中的其他部分，读入作业后，处理器会遇到监控程序的一个分支指令，也就是跳转指令，分支指令指导处理器在用户程序的开始处继续执行。于是处理器就开始执行用户程序的指令了。直到遇到结束指令或者错误条件，这回导致处理器从监控程序所在位置取出指令执行。因此控制权交给作业，仅仅意味着处理器执行的指令都是从用户程序中的指令，而控制权返回给监控程序，意味着处理器执行的是监控程序的指令。对于处理器来说，这没有什么分别。

有了监控程序后，计算机的利用率提升了:一道作业完成后立马就会开始下一道作业，没有任何空闲时间，也很少出现作业没完成就被终止的情况（基本上解决了串行处理的问题）。

2.2.2.3 硬件层面需要进行的支持

从上面可以看出来，监控程序就是一段普通的程序，完成固定的功能而已。
同时，为了使这个系统工作的更加可靠，对计算机的硬件也提出了一些要求，硬件要提供一下相关的功能：

内存保护：这一点很好理解，监控程序的内存空间不能被用户程序随意更改——不管是有意还是无意。一旦硬件检测到有用户程序试图使坏，就会将控制权直接转移给监控程序，监控程序会取消这个作业。
定时器：这项功能是为了防止一个作业独占系统，作业接管控制权后定时器自动打开。如果定时器时间到了而作业未运行完，就会停止用户程序，将控制权返回给监控程序。
特权指令：有的机器指令会被设置成特权指令（比如 I/O 指令），只能由监控程序执行。用户程序是不能直接使用这些指令的。当然用户程序可以请求监控程序为自己执行这个操作。特权指令就是为了限制用户程序的「权力」而设置的，毕竟老板和员工不可能有一样的话语权。
中断：早期的计算机模型中并没有中断的能力，添加这个能力使得操作系统从用户程序或者控制权的时候更加灵活

2.2.2.4 运行模式的概念

内存保护和特权指令引申出了程序的运行模式的概念。
用户程序以用户模式执行，此时有些内存区域是受保护的，特权指令也是无法执行的。
监控程序以内核模式执行，此时不仅可以执行特权指令，而且可以访问受保护的内存区域。

2.2.3 多道批处理系统

cpu利用率低的主要原因就是 CPU 需要等待 I/O 操作，那我们让 CPU 忙起来不就可以了。多道批处理系统就是让 CPU 忙起来的秘诀。方法听起来很简单——在内存里多放几道用户程序，一旦有一个作业需要等待 I/O ，就立刻切换另一个可能不需要等待 I/O 的作业。这种处理，称为多道程序设计（multiprogramming）或多任务处理（multitasking）。

2.2.3.1 多道批处理系统的硬件支持

像简单批处理系统一样，多道程序批处理系统必须依赖于某些计算机硬件功能。
其中最显著的功能就是支持 I/O 中断（Interrupt）和直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）。（DMA 也需要中断的支持）
通过中断驱动的I/O或者DMA，处理器可以为一个作业发出I/O命令，设备控制器执行IO操作的时候，cpu执行另一个作业；IO操作完成后，处理器被中断，控制权传递给操作系统的中断处理程序，然后操作系统再把控制权个林各一个作业（不一定是原来io请求的那个作业，这个看具体的调度方案了）

2.2.3.2 多道批处理系统需要注意的新问题

作业调度：内存的空间是有限的，意味着一次性载入到内存的程序数量也是有限的，那么怎样从备选作业里选择合适的作业加载进内存就是一个问题，这就是就是作业管理。
内存管理：选择了作业，就需要为作业分配空间，那从空闲区的哪一部分为作业划空间就是内存管理需要解决的事情。

2.2.4 分时系统

多道批处理系统可以说是现代操作系统的雏形了，它处理批作业时对处理器的利用率也比较令人满意，但面对多个交互作业，多道批处理系统就显得力不从心了。
交互作业的出现很好理解，毕竟我们现在几乎所有应用程序都是交互式的，你滑动屏幕，这篇文章就会上下滑动，点一个分享，就会出现各种选项，等等等等。
在交互作业中，难免需要等待用户做出操作，但又不可能让处理器停下来等你一个人，毕竟很多人都在用同一台计算机，因此分时系统应运而生。
顾名思义，分时系统就是 n 个用户作业，操作系统控制每个用户程序以很短的时间为单位交替执行。因为人的反应相对机器要慢很多，所以如果控制得当，你会感觉自己是独占了这一台计算机一样。

第一个分时操作系统是由麻省理工学院（MIT）开发的兼容分时系统CTSS，该系统运行在一台内存为32000个36位字的机器上，常驻程序占用了5000字，当控制权分配给一个交互用户的时候，该用户的程序和数据被载入到内容剩余的27000个字的空间中。程序通常在第5000个字的位置开始载入，这简化了监控程序和内存管理。系统时钟以0.2s一个的速度产生中断，在每个时钟中断出，操作系统恢复控制权，被将处理器分配给另一个用户。在固定的时间间隔内，当前用户被抢在，两一个用户被载入，这项技术称为时间片技术，为了便于以后恢复，他会保留老用户的程序状态，在新的程序载入前，老的用户程序会被写入到磁盘当中。当他再次被执行的时候会先从磁盘恢复这些数据和程序。

看到这里，算是真正明白了操作系统的奥义，原来进程线程都算是概念的抽象罢了。实际上都是依赖中断来产生的，监控程序再修改PC，啊，感觉真是爽。
之前理解的操作系统就是一个单独运行的应用程序，他管理这计算机资源的方方面面，cpu调度，进程管理，内存分配等等。
看到这里才明白，操作系统实际上就是一组普通的程序和其他程序一样，只是实现的功能不同而已。之前总是被进程等等概念所迷惑，这次看了这本书以后才真正解惑了。不妨从cpu的角度去理解程序运行。对于cpu来说，是无差别的，我只是根据PC（程序计数器）中的地址去取指令，然后执行，并没有什么进程，线程等东西。
所谓进程，线程的切换，实际上就是cpu的PC中的值被替换到内存中不同的应用程序指令存放的地址而已。对于cpu来说，只有一个线程，就是不断的取指令然后执行。
那么这个时候关键就是如何实现在不同的时候将PC中的值替换为不同应用程序所在的地址。一种常用的手段是使用使用定时器中断，因为中断一旦发生，cpu响应中断的时候就会执行中断的入口程序，实际上就是操作系统程序（也称为内核程序），这个时候内核就可以修改PC中的值，也就完成了应用程序的切换，实际上也就完成了所谓线程进程的切换。还有就是系统调用，比如阻塞式I/O请求，程序也会转到监控程序进行执行，这样的话监控程序就有机会将时间片分给别的程序了。

I/O调用的过程

对应上面的1.9,我觉得可以这样去描述I/O的过程，当一个线程a发起了IO调用，应为IO属于特权指令，所以需要进行系统调用，这个时候程序进入了内核态，cpu的使用权交给了监控程序（操作系统），操作系统会发起一个IO指令，然后修改当前线程的一些状态，记录他在进行io等待，之后就将cpu使用权过度到其他线程了。在该线程的IO操作完成时，会有一个中断产生，cpu处理这个中断，然后把该进程的状态置为可调度状态。后面就可以进行cpu的统调度了。该线程就有机会获得cpu执行的时间片了。这样的调度方式，对应于当前的编程模式就是阻塞式IO，在IO响应之前，该线程对应的程序将不会获得调度。

后来支持的nio应该就是非阻塞式的了，在发生IO调用的时候，会检查是否为阻塞式调用，如果是非阻塞式调用，则内核不会将进程的上下文切换，当前进程在调用完成后接着运行。同时注册一个回调函数，在中断回调的时候执行回调函数即可。

来源：CSDN

作者：夜月行者

链接：https://blog.csdn.net/u013200380/article/details/104562551

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计算机操作系统