操作系统介绍

在冯诺伊曼体系中，程序对机器码读取并执行，而在现代的操作系统设计中（意味着需要考虑到多程序同时运行），程序并不直接访问硬件（需要保护硬件资源），这时就需要一个软件来协调二者：通过受保护的方式分配资源给各个程序；这一软件就是操作系统，因此操作系统也可以看作硬件与应用程序间的抽象层。

操作系统这一抽象（abstraction）的设计原则也是计算机科学中的常用手法。本节开头引述的David Wheeler的这句名言超前地预言了计算机科学的现状。这句名言中的‘level of indirection’也会被故意错误地被引用为‘layer of abstraction’（后者的说法更接近当下流行的语言）。实际上，抽象使得构建一个更大型的系统更加容易，例如在使用高级语言编程的时候不用去关心下层的汇编、数字电路或者晶体管的细节；在网络栈中传输应用数据的时候不需考虑物理电缆是否可靠；在操作系统中运行程序的时候也不用去关心硬件资源的使用和保护。

该书提出操作系统的三大话题是：virtualization, concurrency 和 persistency；细分下来，分别对应了操作系统中的数个组件（或技术）。

虚拟化CPU

CPU虚拟化的技术目标就是产生一种存在无限多CPU的假象，这一目标主要通过时分共享（time sharing）实现。时分共享中的执行单位/调度单位就是进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "common.h"



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);
        printf("%s\n", str);
    }
    return 0;
}

void Spin(int i) {
    sleep(1);
}

运行结果

$ ./CpuVitruilzation.exe A & ./CpuVitruilzation.exe B & ./CpuVitruilzation.exe C & ./CpuVitruilzation.exe D
[1] 899
[2] 900
[3] 901
A 
B 
C 
D 
A 
B 
C 

虚拟化内存

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include "common.h"

void Spin(int i);

int main(int argc, char *argv[]) {
    int *p = malloc(sizeof(int));
    assert(p != NULL);
    printf("(%d) memory address of p: %08x\n", getpid(),  p);
    *p =0;
    while (1){
        Spin(1);
        *p += 1;
        printf("(%d) p: %d\n", getpid(), *p);
    }


    return 0;
}
void Spin(int i){
    sleep(1);
}

结果

C:\Users\SuperNu1L\CLionProjects\CpuVitruilzation\cmake-build-debug\CpuVitruilzation.exe
(3496) memory address of p: 63ae1480
(3496) p: 1
(3496) p: 2
(3496) p: 3
(3496) p: 4
(3496) p: 5
(3496) p: 6
(3496) p: 7
(3496) p: 8
(3496) p: 9
(3496) p: 10
(3496) p: 11
(3496) p: 12
(3496) p: 13
(3496) p: 14

进程已结束,退出代码-1073741510 (0xC000013A: interrupted by Ctrl+C)

多线程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "common.h"

volatile int counter = 0;
int loops;

void *worker(void *arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < loops; i++) {
        counter++;
    }
    return NULL;
}

int
main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage: threads <value>\n");
        exit(1);
    }
    loops = atoi(argv[1]);
    pthread_t p1, p2;
    printf("Initial value : %d\n", counter);

    Pthread_create(&p1, NULL, worker, NULL);
    Pthread_create(&p2, NULL, worker, NULL);
    Pthread_join(p1, NULL);
    Pthread_join(p2, NULL);
    printf("Final value : %d\n", counter);
    return 0;
}

持久性

件以某种输入/输出（Input/Output，I/O）设备的形式出现。在现现系统中，硬盘驱动器（hard drive ）是存储长期保存的信息的通用存储库，尽操固态硬盘（Solid-State Drive ，SSD）正在这个领域取得领先地位

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
int
main(int argc, char *argv[])
{
 int fd = open("/tmp/file", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRWXU);
 assert(fd > -1);
 int rc = write(fd, "hello world\n", 13);
 assert(rc == 13);
 close(fd);
 return 0;
 }

文件系统必须做很多工作：首先确定新数据将驻留在磁盘上的哪个位置，然后在文件系统所维护的各种结构中对其进行记录。这样做需要向底层存储设备发出 I/O 请求，以读取现有结构或更新（写入）它们。所有写过设备驱动程序①（device driver）的人都知道，让设备现表你执行某项操作是一个复杂而详细的过程。它需要深入了解低级别设备接口及其确切的语义。幸运的是，操作系统提供了一种通过系统调用来访问设备的标准和简单的方法。因此，OS 有时被视为标准库（standard library）。

三大话题	对应技术 - 抽象	技术目标
虚拟化（virtualization）	CPU虚拟化- 进程	对每个程序提供“该系统拥有无限数量的CPU”的假象
虚拟化（virtualization）	内存虚拟化 - 虚拟内存	对每个程序提供“该程序独占系统的所有内存空间”的假象
并发（concurrency）	多线程并发 - 同步机制	让多个同时进行的程序以预期的顺序执行并得到预期的结果
持久性（persistency）	单机数据持久 - 文件系统	保持存储的数据长期稳定安全
持久性（persistency）	联机数据持久 - 分布式文件系统	使用不可靠的机器提供可靠的文件系统服务

抽象-机制-策略

抽象（abstraction）、机制（mechanism）、策略（policy）。

• 操作系统是一层提供接口给程序而隐藏了对硬件细节的抽象；而进程、虚拟内存、文件等这些概念则是对相应资源或者数据的抽象

• 机制则一般与策略成对出现，机制作为一个解决方案里的框架，相对模糊和广泛，而策略则规定了其中有限的细节，这种关系就像是应用程序与配置文件之间的关系。例如CPU调度是一种机制，具体使用哪种方法（如轮转调度、优先级调度等）则是策略；缓存替换是一种机制，而具体替换掉哪一个（例如LRU替换、随机替换等）则是策略。