考纲
操作系统概念
操作系统发展历程
操作系统运行环境：内核态与用户态，中断与异常的处理，系统调用，程序的链接与装入，程序运行时内存映像与地址空间
操作系统结构：分层，模块化，宏内核，微内核，外核
操作系统引导
虚拟机
知识框架
错题
13,17
13
4,9,11,15,16,20,22,24,291. 操作系统概念
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并发
同一时间间隔内有多个程序正在运行
单处理机环境，微观上多个程序分时交替执行
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共享
互斥共享：一段连续时间内只允许一个进程访问该资源。如：打印机
同时访问：宏观上同时，微观上交替分时共享访问。如：磁盘
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虚拟
将一个物理实体变为若干逻辑对应物。如：虚拟处理器（多用户分时使用），虚拟内存，虚拟设备
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异步
多进程并发执行，由于资源限制与抢占，进程的执行走走停停，以不可预知的顺序与速度向前
- 处理器管理：进程管理，包括：进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理机调度
- 存储器管理：内存分配与回收，地址映射，内存保护与共享，内存扩充
- 文件管理：文件系统，功能包括：文件存储空间管理，目录管理，读写管理与保护
- 设备I/O管理：缓冲管理，设备分配，设备控制，设备独立性（虚拟设备）
- 命令接口：联机（交互式），脱机（批处理）
- 程序接口：系统调用
程序卡片装入输入机，启动输入机，通过控制开关启动程序
引入脱机输入/输出技术，通过读卡机将批量作业读入磁带，再将磁带送入磁带机，由监督程序读入并运行、输出到磁带。每个作业结束，系统自动读入下一个作业并运行。当一批作业结束后，将输出磁带打印
特点：顺序串行执行
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引入多道程序技术，多道程序并发执行
将内存分为几部分存放不同作业，作业A请求I/O时，作业B可以使用CPU；宏观上并行，微观上交替串行
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有了磁盘引入SPOOL技术（同时的外设联机操作）：当一个作业运行结束，系统能将一个新作业从磁盘读入装入空出的内存区域运行
问题：用户响应时间长，没有人机交互功能（提交作业后只能等待）
系统以时间片为单位轮流为各个联机用户/作业服务，各用户通过终端与计算机交互
问题：不能优先处理实时的紧急任务
响应时间 T = 用户数 * 单位时间片
高响应、高可靠性
进程调度：采用抢占式高优先级算法
内核态能执行所有特权指令，访问所有寄存器和存储器
用户态进入内核态：访管指令(中断陷入)，即设置中断/陷入(门)值（寄存器置位）
内核态回到用户态：中断返回指令
用户态切换到内核态的操作(指令)：访管指令、(调用)系统调用、非法指令异常引起的中断、缺页中断，外设中断
内核态操作(指令)：执行内核态系统调用(广义指令)，设置中断屏蔽，开/关中断，(由用户态请求/触发的中断引出的)中断服务程序，进程调度程序，设置时钟，存储保护
不可屏蔽，需立即处理
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陷入trap：主动执行，如通过访管指令执行系统调用，Linux 汇编代码
int $0x80#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall); set_bit(IA32_SYSCALL_VECTOR, used_vectors); #endif #ifdef CONFIG_X86_32 set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call); set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors); #endif
#define IA32_SYSCALL_VECTOR 0x80 #ifdef CONFIG_X86_32 # define SYSCALL_VECTOR 0x80 #endif
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异常：CPU指令执行产生，可预测/可再现。如：非法操作(指令)，地址越界，算术非法如除0（中断返回无法继续执行），算术溢出，缺页（中断返回可继续执行），存储保护异常？
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终止abort：硬件故障
本质上是电信号。由外设产生，并施加到CPU的 INTR (可屏蔽)或 NMI (不可屏蔽)引脚，不可预测。CPU在每条指令执行结束时主动检测是否有中断请求（由中断控制器接收并发送给CPU）
如：I/O传送(请求/结束)中断，定时器时钟中断
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(硬件隐指令) 中断响应：关中断
IE=0，保存断点 PC, PSW 到内存堆栈或特殊寄存器
根据中断号取出中断服务程序入口地址给PC（中断识别）
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保护现场，将（会被中断服务程序改写的）(通用)寄存器值压入内存栈
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中断服务
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恢复现场，内存中的寄存器值出栈
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(硬件隐指令) 开中断
IE=1，CPU可以接受新的中断请求 -
中断返回，将保存的断点恢复到PC、PSW
- 编译：源程序
$\rightarrow$ object file - 静态链接：object files + static linked lib
$\rightarrow$ executable file - 装入+动态链接：executable file + dll
$\rightarrow$ 内存中的程序
- 静态链接
- 装入时动态链接
- 运行时动态链接：按需加载，共享
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编译时：编译时知道进程在内存中的驻留地址，生成绝对代码（绝对装入）
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装入时：使用相对地址，编译器生成可重定位代码，装入时绑定到绝对地址（静态重定位）
若进程被换出，再次换入时被指定到内存其它地址，需要再次将代码完成地址转换
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运行时：使用相对地址+基址寄存器，进程在执行时可能在内存中移动或需要动态加载模块，指令在执行时才绑定绝对地址（动态重定位）
MS-DOS系统结构
应用程序域操作系统置于同一地址空间，无特权级隔离
采用可加载的内核模块LKM。内核只提供核心服务，其他服务可在内核运行时动态加载实现；通过可加载模块，还可以支持不同文件系统
所有内核模块均运行在特权空间，单点错误可能导致系统崩溃
如：Linux，Windows
特点：特权级仅保留较少功能，服务之间干扰少，对于操作系统相对安全可靠，但性能损失
如：Mach(from CMU) 微内核提供：内存管理、远程过程调用RPC、进程间通信IPC、线程调度，Fushcia
库操作系统 LibOS：将对硬件的抽象封装到 LibOS 中，与应用直接链接，降低应用开发的复杂度；操作系统内核只负责对 硬件资源在多个库操作系统之间的多路复用 的支持，并管理这些 LibOS 的生命周期
如：对操作系统接口要求不高但对性能/时延敏感的嵌入式系统
多核处理器上每个CPU核运行一个独立的操作系统节点，节点间交互由操作系统节点之上的进程间通信完成，可支持异构处理器架构
Mac OS X(Darwin) 在BSD内核基础上增添了部分Mach微内核
Android 架构
操作系统架构演进
处于 ROM 中的 bootstrap 程序运行，启动硬件，并从磁盘找到引导程序 bootloader 以初始化机器，并启动操作系统
Windows 的引导程序位于磁盘第一个扇区，称为主引导记录MBR，包含磁盘分区表
grub 程序可引导 Linux
每个虚拟机安装独立操作系统，隔离性强，开销大
容器技术将应用程序与其依赖关系打包形成一个镜像，可在其他环境中部署大量相同容器
容器与镜像关系类似进程与程序关系。容器是镜像产生的实例，一个镜像可被多次运行生成多个容器
虚拟机与容器架构对比
使用 Linux namespace, cgroups 技术实现资源隔离
docker pull <username>/<container>:<version>
docker run <username>/<container>:<version>
docker run -it ubuntu bash容器编排系统，主要有节点 Node 和控制平面 Control Plane 组成；
Pod：一组正在运行应用负载的容器，是 Kubernetes 管理的最小单元
节点包括几个用于维护运行在该节点中的 Pod 的组件：
- kubelet：每个节点与控制平面交互的代理，接受控制平面的 Pod 创建请求，与节点上的容器运行时交互并创建 Pod 相关的容器，监控容器运行状况
- kube-proxy：每个节点上的网络代理，维护节点中的网络规则，实现节点流星转发
- 容器运行时：管理容器生命周期，负责创建、运行、销毁容器。如：Docker、containerd
控制平面组件：
- API-server：作为前端，暴露API
- scheduler：为新创建的 Pod 寻找合适节点
- etcd：键值存储系统，用于存储集群运行状态、配置信息
- controller manager：管理 Node controller, Replication controller 等控制器
