知识梳理 1

1 Introduction

计算机启动过程

BIOS -> MBR -> boot loader -> kernel -> init process

  • 当我们打开计算机电源，计算机会自动从主板的BIOS(Basic Input/Output System)读取其中所存储的程序。这一程序通常知道一些直接连接在主板上的硬件(硬盘，网络接口，键盘，串口，并口)。现在大部分的BIOS允许你从软盘、光盘或者硬盘中选择一个来启动计算机。
  • 下一步，计算机将从你所选择的存储设备中读取起始的512 bytes。这512 bytes叫做主引导记录MBR (master boot record)。MBR会告诉电脑从该设备的某一个分区(partition)来装载引导加载程序(boot loader)。Boot loader储存有操作系统(OS)的相关信息，比如操作系统名称，操作系统内核 (kernel)所在位置等。
  • 随后，boot loader将kernel加载到内存中。kernel实际上是一个用来操作计算机的程序，它是计算机操作系统的内核，主要的任务是管理计算机的硬件资源，充当软件和硬件的接口。操作系统上的任何操作都要通过kernel传达给硬件。Windows和Linux各自有自己kernel。狭义的操作系统就是指kernel，广义的操作系统包括kernel以及kernel之上的各种应用。
  • kernel开始加载第一个进程，例如"init"，并等待事件的出现。

事件

  • 中断（interrupt/trap）：由硬件或外设触发，通过系统总线发一个信号给CPU，一般为异步方式。
    • 中断会有一个中断ID。
    • 程序会保存中断发生前一时刻的执行现场（保存一些寄存器中的值），然后去转到中断的服务例程执行中断。
    • 中断完毕后，OS再恢复之前保存的处理状态，故中断是对应用程序透明的。
    • 如：read系统调用后，系统发出读磁盘的操作，当磁盘数据准备好后，向OS发出一个异步通知消息。
  • 异常（exception）：由应用程序触发，一般为同步方式。
    • 异常也有异常编号ID，也会保存现场。
    • 如：除0异常，无效地址访问
  • 系统调用（system call）：由应用程序触发，应用程序向OS请求某个服务，异步或同步。
    • 大多由应用程序通过API调用，而非直接由系统调用

存储结构

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I/O 结构

  • 每个设备控制器控制一种设备，负责控制数据在它自己的本地缓存和外部设备中的移动。
  • OS 为每个设备控制器分配了一个设备驱动器。

DMA（Direct Memory Access）——用于大块数据的移动

  • 设备控制器直接将一整块数据在它的缓冲区和内存中移动，不需要CPU的干预。
  • 每一块只会产生一个中断（告知设备驱动器）

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User Mode & Kernel Mode

  • 用户态：CPU无法执行一下特权指令
  • 内核态：CPU可以执行特权指令

2 进程

进程状态

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  • New: 进程被创建
  • Ready：进程等待被分配给一个处理器
  • Running：正在执行
  • Waiting：进程等待某个事件（如I/O完成或信号接收
  • Terminated：进程执行完毕

进程控制块 (PCB Process Control Block)

在OS中，每个进程由一个PCB表示。它包括：

  • 进程状态
  • 程序计数器
  • CPU寄存器
  • CPU调度信息
  • 。。。

进程调度

  • job queue: 等待某一特定I/O设备的进程的链表
  • ready queue：处于ready状态的进程的链表

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  • 调度器（Scheduler）：
    • 长期调度（job scheduler）：从任务池（辅存）里挑选进程，送入ready queue（内存）。
    • 短期调度（CPU scheduler）：从ready queue中选择分配给CPU执行的进程。
    • 中期调度：将进程从内存或从CPU竞争中移出，从而降低多道程序设计的程度，之后进程能被重新调入内存，并从中断处继续执行。

当CPU转到另一个进程时，系统需要保存旧进程的状态，并通过contex switch（上下文切换）导入新进程的状态。

对进程的操作

进程由进程标识符（pid）标识。

  • 在UNIX系统中，一个新进程通过fork()系统调用创建。新进程拥有原进程的地址空间。
  • fork()的返回值：
    • 子进程：0
    • 父进程：子进程的pid
  • exec()系统调用由两个进程之一调用，用于将进程的内存空间替换为一个新的程序。
  • 父进程可以通过abort()终止子进程。

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进程间通信

两种基本模型：

  • 共享内存：生产者-消费者问题
  • 消息传递

3 线程

线程包括：线程ID、程序计数器、寄存器集、栈

  • 多线程之间共享：代码段、数据段、其它OS资源（如打开的文件和信号）

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多线程模型

  • 用户线程：由OS直接管理，位于内核之上
  • 内核线程

三种模型：

  • 多对一：一个内核线程阻塞导致全部用户线程阻塞
  • 一对一：线程总数受限
  • 多对多：运行OS创造足够数量的内核线程